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HIDRAULICA PRACTICA

AUTOR: CAMILO H. RUEDA SALCEDO Derechos reservados

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TABLA DE CONTENIDO ♦ INTRODUCCION A LA OLEOHIDRAULICA 4 • Sistemas de Transmisión de Potencia 6 ∗ Hidrostática 10 ∗ Elementos de un Sistema Hidráulico 17 ∗ ACTUADORES 22 ∗ Cilindros Hidráulicos 23 ∗ De Simple Efecto 24 ∗ De Doble Efecto 27 ∗ Motores Hidráulicos 34 ∗ De Engranajes 35 ∗ De Paletas 38 ∗ De Pistones 41 ♦ IMPULSORES 45 ∗ Bombas 46 ∗ De engranajes 46 ∗ De Paletas 48 ∗ De Pistones 54 ∗ Acumuladores 59 ∗ Multiplicadores de Presión 62 ♦ VALVULAS 64 ∗ Válvulas de Retención 65 ∗ Válvulas Direccionales 67 ∗ Válvulas Direccionales Proporcionales 78 ∗ Controles de Presión 81 ∗ Válvulas de Alivio 82 ∗ Válvulas de Secuencia 84 ∗ Válvulas de Contrabalance 86 ∗ Válvulas de Descarga 88 ∗ Válvulas Reductoras de Presión 90 ∗ Válvulas de Alivio-Descarga 91 ∗ Válvulas Proporcionales de presión 92 ∗ Controles de Caudal 93 ∗ No Compensados o Simples 95 ∗ Compensados 96 ∗ Proporcionales 97 ♦ CIRCUITOS TIPICOS 100 ∗ Circuito simple, 1 actuador 100 ∗ Sistemas de Alta y Baja 100 ∗ Circuito Regenerativo 104 ∗ Circuito con varias direccionales 106 ∗ Hidrotransmision 107 ∗ Circuito para prensa de vulcanizado 109 ♦ ACCESORIOS 110 ♦ Solución de ejercicios 114

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PROLOGO La hidráulica es una de las ramas de la Ingeniería, que como muchas otras han venido desarrollando grandemente en las ultimas décadas y se ha venido convirtiendo en una herramienta cada vez más importante para los diseñadores de maquinas o profesionales trabajadores del ramo. Desde hace muchos siglos se uso la hidráulica para trasmitir potencia, aprovechando la energía del agua en una corriente para mover una rueda, que a su vez tomaba esa agua y la levantaba para poder transportarla y usarla para riego y otras cosas. El uso del fluido ba-jo presión para transmitir potencia y controlar movimientos complejos, es mas reciente. En el siglo pasado, durante la revolución industrial en Inglaterra, se empezó a utilizar agua confinada a alta presión para transmitir potencia y desde entonces su uso se ha venido ge-neralizando cada vez más Un fluido confinado es uno de los medios más versátiles para modificar y controlar movi-mientos y transmitir potencia. Es tan resistente como el acero y, además, infinitamente flexi-ble. Cambia de forma para adaptarse al cuerpo que resiste su empuje, se puede dividir en partes, cada parte haciendo el trabajo a su medida y puede ser reunido para que trabaje en conjunto. Las leyes que lo manejen son iguales o más sencillas que otras leyes de la mecá-nica o la electricidad y, sin embargo, hay una falta grande de orientación en este campo, lo cual hace que muchas personas no puedan gozar de los beneficios que ofrecen los siste-mas hidráulicos. Por esta razón he querido elaborar esta guía general sobre las posibilidades que se pueden tener en cuenta con los distintos elementos que podrían intervenir en un sistema hidráulico, sin pretender que esta sea la información mas profunda y completa que haya sobre este te-ma tan extenso. Se tratara de explicar de la manera mas clara y sencilla posible, la forma como trabajan al-gunos de los elementos más comunes que conforman cualquier sistema hidráulico, sin dis-tingo de marcas o tipos, ya que la estandarización es alta hoy en día. También se darán algunas pautas para el diseño de un circuito hidráulico. sobre todo con el fin de hacer comprender mejor la forma como trabajan los sistemas existentes Finalmente se tendrán algunas recomendaciones sobre como mantener en optimas condi-ciones un sistema hidráulico

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INTRODUCCION A LA OLEOHIDRAULICA

La óleo hidráulica se puede definir como la rama de la ingeniería mecánica que estudia el uso de fluidos incomprensibles (en este caso aceita y por esto el prefijo “óleo”), confinados y bajo presión, para transmitir potencia. En este capitulo se introducirán los elementos básicos que componen un sistema hidráulico y se estudiarán las leyes que determinan su comportamiento. Las siguientes son algunas de las representaciones que se utilizarán para los diferentes com-ponentes de los sistemas hidráulicos.

BOMBA

CILINDRO

TANQUE

VALVULA DIRECCIONAL

5555

Estos son ejemplos de algunas de las maquinas en las que vemos la hidráulica aplicada hoy en día. Sus usos son tan diversos que es inconmensurable la variedad de opciones. El gato hidráulico, elemento que aunque su principio de funciona-miento es extremadamente simple , es muy versátil y confiable, ade-más de ser indispensable para cualquier labor de mantenimiento me-cánico.

La Inyectora de plástico, usada para inyectar plástico derre-tido en un molde y obtener así miles de elementos tales como vasos, tanques, platos, partes para autos, etc.

La prensa hidráulica, una de las maquinas mas usadas en la in-dustria, para embutir, cortar, doblar, perforar, toda clase de meta-les. Capaces de desarrollar fuerzas tan bajas como 5 toneladas pa-ra operaciones pequeñas, y tan grandes como 2.000 ton. Como pa-ra cortar laminas de acero de gran calibre en acerías.

La excavadora hidráulica, maquina utilizada en la remoción de tie-rra para construir carreteras, edificaciones, etc. Maquina muy pode-rosa y versátil. Esta maquina pertenece a un segmento del mercado llamado “móvil” por su capacidad de moverse o desplazarse por si misma. Se caracteriza por tener un sistema hidráulico complejo.

La retroexcavadora o backhoe, maquina de tipo móvil, que cum-ple la misma función de la excavadora pero tiene pala adelante para arrastrar. Donde quiera que vayamos veremos equipos hidráulicos trabajan-do.

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SISTEMAS DE TRANSMISIÓN DE POTENCIA Existen diferentes tipos de sistemas de transmisión de potencia, como por ejemplo. -SISTEMAS ELECTRICOS -SISTEMAS MECANICOS -SISTEMAS NEUMATICOS -SISTEMAS HIDRAULICOS o combinaciones de estos, pero todos tienen características similares. Todos tienen una entrada que normalmente consiste en una fuente con movimiento rotacional de velocidad constante o variable y que proporciona un toque que es variable y depende de la demanda del sistema. ♦ La carga o salida del sistema puede tener dos formas básicas: • Se puede necesitar mover una carga lineal, que requiere de una fuerza constante o va-

riable a una velocidad determinada, que también puede ser variable o constante. • También se puede requerir mover una carga rotacional con un torque constante o varia-

ble, a una velocidad angular, también constante o variable. Todos tienen una conformación parecida, que se puede dividir en los siguientes tres grupos: • ENTRADA. Se tiene un transductor de entrada, que convierte la energía de la fuente en

la energía que va a usar el sistema para transmitir (Vg.: eléctrica, mecánica, hidráulica, etc.).

• SALIDA Existe igualmente, un transductor de salida, que convierte la energía propia del

sistema en la energía que requiere la carga. • ELEMENTOS DE CONTROL Para poder aprovechar al máximo la energía de la fuente y

para poder adecuarse lo mejor posible a la carga es indispensable tener la posibilidad de controlar los niveles de energía del sistema y la ruta de la energía dentro del sistema en cada momento del ciclo de la carga

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En el uso de un sistema eléctrico de transmisión de energía eléctrica, es necesario manejar la corriente y el voltaje. Si es para llevar energía eléctrica a través de grandes distancias, el volta-je debe ser alto para que la corriente sea baja y las perdidas sean menores. Pero ya para apli-carle esta energía por ejemplo, al motor de un electrodoméstico, se debe bajar el voltaje al re-querimiento que esta último y la corriente dependerá de la potencia que necesite para efectuar el trabajo para el que fue diseñado. En un sistema mecánico, se utilizan elementos mecánicos, tales como piñones, ejes, roda-mientos, etc. Para trasmitir el movimiento, se puede tener control sobre la velocidad y el torque o la fuerza de acuerdo a las necesidades. Este es unos de los sistemas de transmisión mas generalizado, en los últimos tiempos. En un sistema neumático, se utiliza aire comprimido como medio de transmisión de movimien-to, se puede tener control sobre la fuerza ejercida manejando la presión del aire. Y se puede tener control de la velocidad del movimiento de salida, controlando el caudal de aire que fluye a través del sistema. En un sistema hidráulico, es necesario poder controlar el nivel de energía potencial en el siste-ma, por medio del control de la presión del fluido, también la energía cinética, controlando la cantidad del fluido en el sistema por unidad de tiempo, es decir, el caudal. Adicionalmente, controlar la dirección del fluido en el sistema. Gráficamente se tendría algo como lo que se muestra en la figura 1

Fig. 1 Sistemas de transmisión de potencia Primero esta la fuente, que como se dijo, puede producir un torque a una determinada veloci-dad y que esta conectada con el transductor de entrada del sistema. Luego los elementos de control, que manejan los niveles de energía dentro del sistema y que le entregan al transductor de salida, una potencia que depende de la carga a la que está conectado. En un sistema eléctrico, el transductor de entrada puede ser un gene-rador de corriente, el control se hace con transformadores que au-mentan o disminuyen el voltaje, o de controles de frecuencia y el

ENTRADA

MOTORES ELECTRICOS MOTORES A GASOLINA TURBINAS DE GAS

MOTORES HIDRAULICOS MOTONES DE AIRE

SISTEMA DE TRANSMISION

ELECTRICOS HIDRAULICOS MECANICOS NEUMATICOS

CONBINACIONES DE LOS ANTERIORES

SALIDA

FUERZA LINEAL TORQUE

MOVIMIENTO LINEAL O ROTATIVO

8888

transductor de salida de un motor eléctrico que da un torque a una velocidad angular, o un so-lenoide que da una fuerza a una velocidad lineal. El medio que sirve para la transmisión está conformado por líneas de cables conductores de electricidad.

En un sistema mecánico, el transductor de entrada puede ser una polea o un piñón, el control se puede hacer cambiando el ancho de la polea para aumentar o disminuir su diámetro, o usando una se-rie de piñones de diferentes diámetros los cuales se usarían en di-ferentes momentos de un ciclo, según las necesidades de carga. El transductor de salida puede ser también una polea o un piñón, un eje, un convertidor de torque etc. El medio de transductor son correas, cadenas, palancas, etc.

En un sistema hidráulico el transductor de entrada es una bom-ba que envía una cantidad determinada de aceite, que puede ser constate o varia con el tiempo. El control se hace a través de elementos que restringen la cantidad de aceite que circula en el sistema, otros que regulan las presiones máximas y otros que llevan el aceite a un punto u otro del sistema de acuerdo con el ciclo de carga. El transductor de salida puede ser un actuador hidráulico lineal (cilindro hidráulico), que genera una fuerza a una velocidad lineal o un actuador hidráulico rotacional (motor hidráulico) que genera un torque a una velocidad angular. El medio de transmisión es el fluido (generalmente aceite mineral) que se mueve a través de tuberías de alta presión. En la figura 2 se ve como un sistema de transmisión hidráulico está compuesto. La entrada de potencia que se acopla a la bomba que es el elemento que la recibe. La bomba la entrega a las válvulas por medio del aceite o fluido de transmisión y éstas se la entregan a los actuado-res que pueden ser motores hidráulicos o cilindros.

Fig. 2 Como se transmite la potencia hidráulica. En la figura 3 se ilustra un sistema básico de transmisión de potencia hidráulica. La curva en la parte inferior de la figura, indica el nivel de energía en el sistema: La fuente es un motor que mueve la bomba de caudal fijo y le suministra una cantidad de energía que depende de la car-ga. La bomba succiona aceite de un tanque, lo cual representa un trabajo para ella, por esto la curva se inicia debajo del nivel cero de energía.

BOMBA

VALVULAS

ACTUADOR RPM

TORQUE

MOVIMIENTO

FUERZA

PRESION

FLUJO

PRESION

FLUJO

9999

FIGURA 3 Sistema Hidráulico de Transmisión de Potencia. Luego dependiendo del nivel de carga, la curva llega a un punto que es la suma de esta carga con la energía que se pierde en cada uno de los elementos y la tubería del sistema. En la figu-ra 4 se pueden ver los diferentes niveles de energía y las ineficiencias generadas por cada componente del sistema hidráulico.

Fig. 4 Niveles de energía e ineficiencias.

HP

INEFICIENCIA

ENTRADA BOMBA DIRECCIONALES ALIVIO ACTUADORES MAQUINA

VALVULA DIRECCIONAL

VALVULA DE ALIVIO

BOMBA

ACTUADOR LINEAL

10101010

HIDROSTATICA

Una de las primeras aplicaciones que se hicieron de un fluido confinado bajo presión y se co-noce como “palanca hidráulica” (fig. 5). Esta consta de dos cilindros de diferentes diámetros que están comunicados entre sí y tienen un fluido. Al cilindro de diámetro pequeño se le intro-duce un pistón, del mismo diámetro, que sostiene una carga determinada y al cilindro grande también se le introduce un pistón de su mismo diámetro sosteniendo otra carga. fig. 5. Palanca Hidráulica Si el área del cilindro grande es diez veces mayor que la del pequeño, la carga que se requiere en el cilindro grande es diez veces mayor que la del pequeño para que el sistema esté en equilibrio. Pero al mover el pistón del cilindro pequeño una distancia de 10 “, el pistón en el cilindro gran-de solo sale 1”. Lo que se gana en fuerza se pierde en desplazamiento igual a como sucede en una palanca mecánica. Este efecto es resultado de la ley que rige la hidrostática, la ley de pascal que dice: “LA PRESION APLICADA A UN FLUIDO CONFINADO SE TRANSMITE SIN DISMINUCION DE FUERZA EN TODAS DIRECCIONES Y ACTUA CON FUERZA IGUAL Y EN AREAS IGUALES EN ANGULOS CORRESPONDIENTES” Un “"Fluido confinado” simplemente es un fluido que está aislado del exterior, es decir, de la presión atmosférica. En el caso que nos interesa, consideramos a este fluido aceite hidráulico,

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que tiene ciertas características especiales que veremos mas adelante y es prácticamente incomprensible. En realidad, si tenemos un determinado volumen de aceite, por ejemplo, 100 galones, lo colocamos en un recipiente cerrado y lo comprimimos de alguna forma, pasando de 0 PSI (libras por pulgada cuadrada) a 1000 PSI entonces el volumen se habrá disminuido en 0.5%, es decir, ya no habrá 100 galones sino 95.5 y por cada 100 psi adicionales, el volu-men disminuirá otro 0.5% La presión se define como fuerza por unidad de área y se consigue comprimiendo el aceite. A mayor compresión mayor disminución de volumen y mayor presión. En el caso del “gato” a medida que se envía más aceite hacia el cilindro de “levante” éste se desplaza más y cuando empieza a levantar la carga y por lo tanto a requerir hacer fuerza, el aceite se va comprimien-do hasta que alcanza la presión necesaria para que, actuando sobre el área del cilindro, ge-nere la fuerza suficiente para desplazar la carga. Esta presión sólo depende de la fuerza que debe hacer el cilindro y el área del mismo. Ella se transmite al cilindro pequeño pero como su área es menor la fuerza que es necesario aplicar-le es igual a la carga dividido por la relación que hay entre el área del cilindro grande y la del pequeño Un sistema hidráulico muy común es el del “gato” hidráulico que se usa para levantar auto-motores u otros objetos pesados. Como se ve en la figura 6 éste consta de una bomba ma-nual que succiona o ”chupa” aceite de un recipiente y lo envía hacia un actuador hidráulico lineal o cilindro hidráulico. En el “Gato” hidráulico el pistón que sirve de bomba es más pequeño que el que se usa para levantar la carga. De esta manera se logra levantar objetos pesados con una fuerza no muy grande, pero es necesario desplazar varias veces el pistón que sirve de bomba para que haya un desplazamiento apreciable de la carga. En la figura 7 se muestra una secuencia que describe el funcionamiento de un “gato” hidráuli-

Fig. 6. Gato hidráulico

12121212

co Fig. 7 Funcionamiento de un “Gato” Hidráulico Hasta ahora no hemos hablado de la cantidad de aceite involucrado. Si en lugar de una bomba manual se le coloca a este gato una bomba automática que envía un flujo continuo, se obten-drá un desplazamiento también continuo del cilindro de “levante” Fig. 8 “Gato” con bomba continua. La rapidez con que ocurra este desplazamiento va a depender de la cantidad de aceite que envíe la bomba, es decir, del caudal.

MOTOR

CILINDRO

BOMBA

TANQUE

SUCCION SUBIDA DE CARGA RETORNO

ENTRADA

SALIDA

ENTRADA

SALIDA

ENTRADA

SALIDA

13131313

El caudal es el volumen de aceite por unidad de tiempo normalmente expresado en Galones por Minuto (GPM). Si por ejemplo el cilindro del gato tiene un área efectiva de 3 in cuadradas y un recorrido de 9” como se muestra en la figura 8 y la bomba envía un galón (231 in cúbicas) por minuto, el cilindro se demorará aproximadamente 7 segundos. Si la carga que tiene que levantar el cilindro es de 1500 lbf (libra-fuerza), la presión a la que tiene que llegar el aceite deberá ser de 500 libras por pulgada cuadrada (PSI) para lo cual de-berán haber, al final del recorrido, 0.0675 in3 adicionales de aceite, es decir, 0,25% más:

V Q = t

0.117 min V t= Q

3 in2222 = X 9 in in

231 min

= 7 seg. =

Volumen adicional= V x 0.5% x P 1000 psi

3 in2222 x 9 in x 0.5% 500 psi 1000 psi

= 27 in3333 x 0.25% =

=0.0675 in3333

MOTOR

800 psi

8000 lbs

10 in2

10 GPM MOTOR

800 psi

8000 lbs

10 in2

10 GPM

SI 9 1/2" GPM SE FUGAN A TRAVES DEL PISTON

DAÑADO

LA PRESION ES IGUAL A :

10 IN2222

8000 LBS A

F

=

= 800 psi

Fig. 9 No hay fugas en el sistema. Fig. 10 Aún cuando hay una fuga grande el pistón sube la carga.

14141414

Suponiendo que en este cilindro se presentara una fuga de aceite, por lo cual se perdieran 9 1/2 GPM de los 10 que envía la bomba, es decir, medio galón por minuto para subir la carga, como se ve en la figura 10 todavía habría suficiente aceite para adicionar ese 1/2 requerido para llegar y mantener la presión de 800 PSI necesaria para levantar la carga aunque como se está quedando solo con el 5% del caudal, el desplazamiento se hará al 5% de la velocidad. Aprovechando esto, se puede ocasionar una fuga “deliberada” con el fin de poder disminuir la velocidad de desplazamiento de un cilindro o un actuador hidráulico, desde un máximo que es-tá determinado por caudal el total de la bomba. Como se muestra en la figura 11 al ir res-tringiendo el paso de un caudal de aceite, éste se empieza a comprimir antes de la restricción originando un aumento de pre-sión en esta zona y generando lo que se conoce como “caída de presión”. Mientras mayor sea la restricción, mayor será la caída de presión, y si se cierra del todo el aceite se comprimirá hasta que la fuerza ejercida por la presión dañe la bomba o la tubería o hasta que se abra una válvula de seguridad o de alivio colo-cada entre la bomba y la restricción y gra-duada a una presión máxima determinada Con esta combinación de restricción y vál-vula limitadora de la presión, se pude de-jar la fuga “deliberada” mencionada ante-riormente. Lo que se hace es que se co-loca una restricción y un control de pre-sión de tal forma, que no todo el aceite que viene de la bomba va al cilindro o ac-tuador En resumen se tienen dos conceptos importantes: ♦ La Presión. Que es fuerza por unidad de área y que se logra por la resisten-

cia que haya en el aceite y que lo comprime. ♦ El Caudal, que es el volumen de aceite por unidad de tiempo y que depende

de la bomba. La relación entre los dos es la "caída de presión" que se genera por el paso de un caudal a tra-vés de una restricción. Existe otra relación entre la presión y el caudal y es la que puede obtener expresando la po-tencia requerida en un sistema hidráulico con base en las dos.

MOTOR 10 GPM

10 in2

Fig. 11 Caída de presión limitada por la valvula de alivio

LA RESTRICCÓN LIMITA EL CAUDAL A 5 GPM EL ACTUADOR

SOLO RECIBE 5 GPM Y AVANZA A LA MITAD DE LA VELOCIDAD

EL EXCESO DE 5 G P M E S DESVIADO A TRAVES DE LA VALVULA DE

V Q = t

F P = A

15151515

La potencia es el trabajo hecho por unidad de tiempo. El trabajo es la fuerza por distancia, así que la potencia se puede expresar como fuerza por distancia sobre tiempo. En un sistema hidráulico, la fuerza está relacionada con la presión y la velocidad con el caudal, así que se puede expresar la potencia como una relación de la presión y el caudal. Así que: Como un galón = 231 in3 y 12 in = 1 pie, Que es la potencia necesaria para tener en un sistema hidráulico un GPM a un PSI de presión. Como un HP = 33000 libras-pie / minuto entonces: Es decir, que por cada GPM y por cada PSI que se requieran en un sistema, se necesitan 0.000583 HP Tomando en cuenta la eficiencia del sistema que es el 80% aproximadamente, la potencia de entrada requerida en un sistema se puede calcular con la siguiente expresión: Ejemplo 1

FUERZA x DISTANCIA TIEMPO

POTENCIA = = FUERZA x VELOCIDAD

POTENCIA = CAUDAL (GPM) x PRESION (psi)

POTENCIA = GALONES MINUTO

x 231 IN3333

GALON x LIBRAS

IN2222 x PIE

12 IN

POTENCIA = 19.25 LIBRAS-PIE MINUTO

POTENCIA = 19.25 33000

HP = 0.000583 HP

POTENCIA (HP)= CAUDAL (GPM) x PRESION (psi) x 0.000583

POTENCIA (HP)= CAUDAL (GPM) x PRESION (psi) x 0.0007

16161616

Se tiene un sistema de las siguientes características: ◊ Diametro del cilindro 5 in ◊ Carrera de cilindro 8 in ◊ Tamaño de carga 9 toneladas ◊ Velocidad máxima subiendo: 1 in/s Calcule la presión, el caudal y la potencia del sistema. Para convertir de toneladas a libras multiplicamos por 2205, por lo que la fuerza es de:

El área efectiva del cilindro es de:

Por lo tanto la presión que será necesario generar para levantar la carga esta dada por:

El caudal necesario será:

Para expresarlo en GPM se divide por 231 in3/Galón y se multiplica por 60 Seg./Min. :

La potencia requerida para tener un sistema con estas características será Potencia de entrada=5 GPM x 1011 PSI x 0.0007 =3.6 HP

Lbs Ton

F = 9 Ton x 2205 = 19845 Lbs

D2222

4 A = p x =19.63 in3333

IN

SEG Q = V x A = 1 x 19.63 IN2222=19.63 IN

3333

SEG

19.63

231 Q = = 5 GPM

IN3333

SEIN3333

GALON

x 60 SEMIN

F

A P = =1011 PSI 19845 LBS

19.63 IN2222 =

17171717

ELEMENTOS DE UN SISTEMA HIDRÁULICO Se han mencionado ya algunos de los elementos que componen un sistema hidráulico, con la bomba y el cilindro hidráulico que son los transductores de entrada y de salida del sistema. También se ha mencionado la válvula de alivio, que regula la presión máxima, y la restricción que sirve para regular el caudal. También existe un control para poder hacer que el cilindro se mueva empujando el vástago hacia fuera o que lo hale haciéndolo entrar. Este es un control "direccional”, que completaría un sistema sencillo, como se ven en la figura 12 y que puede ser el que sirva para resolver el problema planteado al final del apartado anterior. Fig. 12 Sistema hidráulico que empuja una carga de 9 toneladas a una velocidad de 1 in/seg.

MOTOR 10 GPM

9 Ton

CILINDRO DE 5” DE DIAMETRO

POSICION DE BAJADA

POSICION DE SUBIDA

VALVULA DE ALIVIO

MOTOR ELECTRICO DE

3.5 HP

BOMBA DE 5 GPM

18181818

SIMBOLOGIA HIDRAULICA

19191919

PALANCA

PEDAL

RUEDA

DETENTE

COMPENSADOR

SOLENOIDE

SERVOMOTOR

PRESION PILOTO

CONTROL DE FLUJO COM-PENSADO CON CHECK

DIRECCIONAL 2 VIAS/2 POS

DIRECCIONAL 3 VIAS/2 POS

DIRECCIONAL 4 VIAS/2 POS

2 VIAS/3 POS C. CERRADO

2 VIAS/3 POS C. ABIERTO

2 VIAS/3 POS C. CERRADO PROPORCIONAL

CHECK

DE BOLA

ALIVIO

REDUCTORA DE PRESION

CONTROL DE FLUJO

20202020

PREGUNTAS 1. En un sistema hidráulico, que hacen: -El transductor de entrada -El transductor de salida -Los elementos de control 2 ¿Qué ventajas cree usted que tenga un sistema hidráulico sobre un eléctrico o un mecánico? 3 ¿Qué ventajas tiene el uso del aceite como fluido, sobre el uso de otros líquidos inclusive mas baratos como agua por ejemplo? 4 ¿Qué características deben tener los pistones de un gato hidráulico para que la fuerza ejerci-da por el operario sea menor que la carga que debe levantar? ¿Cómo se compensa esta fuerza menor, para que el trabajo total se conserve? 5 ¿ Porque es tan importante la presencia de por lo menos una válvula de alivio en todo siste-ma hidráulico? EJERCICIOS 1. Una bomba de 2 GPM se utiliza para llenar un cilindro de 6 in de diámetro y 12 in de longi-tud, ¿Cuanto tiempo tardará? 2. El cilindro mostrado tiene un diámetro de 5 pulgadas y sostiene una carga de 20 toneladas a una altura de 12 pulgadas. a)¿Cuánto subirá el pistón si se retira la carga? b)¿Cuánto bajara si la carga se duplica? (Suponga que la masa del pistón es despreciable) 3. Se desea mover una carga de 7 toneladas con un cilindro de 3,5 in de diámetro. El recorrido de 12 pulgadas debe completarse en menos de un minuto a)¿A cuanto subirá la presión en el sistema? b)¿Que caudal debe enviar la bomba como mínimo para lograr esto? 4 El cilindro mostrado debe levantar la carga de 50 toneladas a una altura de 8 pulgadas sobre su nivel actual. Encuentre la presión (en PSI) y el volumen adicional de aceite que habrá en el cilindro (en galones), si el diámetro del cilindro es: a) 5 Pulgadas b)8 Pulgadas c)10 Pulgadas ¿Debe tenerse en cuenta la compresibilidad de aceite para calcular el volumen adicional?

20 Ton

50 Ton

21212121

5 Un cilindro de 5 pulgadas de diámetro mueve una carga de 25 toneladas. El recorrido total es de 11 pulgadas y se realiza en 8 segundos. a)¿Cuál es la presión del aceite en el cilindro? b)¿ Que caudal entra al cilindro? c)¿Cual es la potencia necesaria en este sistema hidráulico?

22222222

ACTUADORES Los actuadores son los elementos del sistema que utilizamos para convertir la energía almace-nada en el fluido en un trabajo, es decir, los transductores de salida del sistema. Lo actuadores hidráulicos se clasifican de la siguiente manera:

◊ De Movimiento Rectilíneo o Cilindros Hidráulicos. 1 De simple efecto 2 De doble efecto A Vástago sencillo B Vástago doble

◊ De movimiento rotativo 1 Unidireccionales 2 Bidireccionales

23232323

CILINDROS HIDRAULICOS Como se vio en el capitulo anterior, por definición la presión se puede determinar con la si-guiente expresión: El caudal se puede determinar como: Si se trabaja la fuerza en libras y el área efectiva del pistón en el cilindro, en in2, entonces: Si se tiene la presión y se desea saber la fuerza que desarrollará un determinado cilindro, en-tonces: Sí la velocidad está en in/seg. y el área es in2 y se quiere el caudal en GPM, entonces: Si lo que se tiene es el caudal y se quiere encontrar la velocidad de un determinado cilindro, entonces:

P = F

A

Q = V x A

Fuerza (lbs) Area (in2222)

Presión (psi) =

Fuerza (lbs) = Presión (psi) x Area (in2222)

Area (in2)2)2)2) Velocidad

in

seg =Caudal (GPM) x 3.85

x 3.85

Caudal (GPM) = Area (in2222))))

Velocidad in

seg

in

seg ) x Caudal (GPM) = Area (in2222) x Velocidad ( in3333

gal

seg

min 60

231

24242424

CILINDROS DE SIMPLE EFECTO Los cilindros de simple efecto constan de un tubo cerrado en uno de sus lados dentro del cual va un émbolo o vástago que se desliza hacia dentro o hacia fuera. Entre los dos existe un buje que sirve de guía y unos empaques que no permiten que el aceite salga. No tienen sino una sola cámara y el área sobre la que actúa la presión, es el área del vástago. En la figura 13 se muestra un cilindro de simple efecto. Fig. 13 Cilindro Hidráulico de simple efecto Dado que no tienen sino una cámara, al introducir el aceite el vástago saldrá, pero no será po-sible hacer que el vástago retorne, sino solo usando una fuerza externa. En la figuras 14,15 y 16 hay tres tablas con las que se pueden hallar presiones y caudales o fuerzas y velocidades, para cilindros de diferentes diámetro o áreas. Por ejemplo, si se desea saber la fuerza que haría un cilindro de 4 in de diámetro, con una presión en el sistema de 500 PSI. miramos en la tabla en la columna de la izquierda, seleccionamos el primer 4”, miramos en la fila superior seleccionando 500 psi en ‘fuerza saliendo’ y en la intersección entre la co-lumna de 500 psi y la fila de 4”, vemos el valor de 2.85 ton. Hacemos lo mismo para saber las velocidades saliendo y entrando.

DE LA BOMBA

CARGA

SUBIDA

AL TANQUE

BAJADA

CARGA

25252525

Figura 14 Tabla de fuerzas y presiones en cilindros hidráulicos.

Figura 15 Tabla de velocidades y caudales con el vástago saliendo.

PISTON VASTAGO

CAUDAL EN GPM VASTAGO SALIENDO

IN IN 0.5 1 2 3 4 5 10 15 20 30 40 50 60 70 80 90

1.5 0.625 1.09 2.18 4.36 6.53 8.71 10.89 21.78 32.67 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40

1.5 0.75 1.09 2.18 4.36 6.53 8.71 10.89 21.78 32.67 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40

2 1 0.61 1.23 2.45 3.68 4.90 6.13 12.25 18.38 24.50 36.75 >40 >40 >40 >40 >40 >40

2 1.375 0.61 1.23 2.45 3.68 4.90 6.13 12.25 18.38 24.50 36.75 >40 >40 >40 >40 >40 >40

2.5 1 0.39 0.78 1.57 2.35 3.14 3.92 7.84 11.76 15.68 23.52 31.36 39.20 >40 >40 >40 >40

2.5 1.375 0.39 0.78 1.57 2.35 3.14 3.92 7.84 11.76 15.68 23.52 31.36 39.20 >40 >40 >40 >40

2.5 1.75 0.39 0.78 1.57 2.35 3.14 3.92 7.84 11.76 15.68 23.52 31.36 39.20 >40 >40 >40 >40

3.25 1.375 0.23 0.46 0.93 1.39 1.86 2.32 4.64 6.96 9.28 13.92 18.56 23.20 27.83 32.47 37.11 >40

3.25 1.75 0.23 0.46 0.93 1.39 1.86 2.32 4.64 6.96 9.28 13.92 18.56 23.20 27.83 32.47 37.11 >40

3.25 2.5 0.23 0.46 0.93 1.39 1.86 2.32 4.64 6.96 9.28 13.92 18.56 23.20 27.83 32.47 37.11 >40

4 1.75 0.15 0.31 0.61 0.92 1.23 1.53 3.06 4.59 6.13 9.19 12.25 15.31 18.38 21.44 24.50 27.56

4 2 0.15 0.31 0.61 0.92 1.23 1.53 3.06 4.59 6.13 9.19 12.25 15.31 18.38 21.44 24.50 27.56

4 2.5 0.15 0.31 0.61 0.92 1.23 1.53 3.06 4.59 6.13 9.19 12.25 15.31 18.38 21.44 24.50 27.56

5 2 0.10 0.20 0.39 0.59 0.78 0.98 1.96 2.94 3.92 5.88 7.84 9.80 11.76 13.72 15.68 17.64

5 2.5 0.10 0.20 0.39 0.59 0.78 0.98 1.96 2.94 3.92 5.88 7.84 9.80 11.76 13.72 15.68 17.64

5 3 0.10 0.20 0.39 0.59 0.78 0.98 1.96 2.94 3.92 5.88 7.84 9.80 11.76 13.72 15.68 17.64

5 3.5 0.10 0.20 0.39 0.59 0.78 0.98 1.96 2.94 3.92 5.88 7.84 9.80 11.76 13.72 15.68 17.64

6 2.5 0.07 0.14 0.27 0.41 0.54 0.68 1.36 2.04 2.72 4.08 5.44 6.81 8.17 9.53 10.89 12.25

6 3.5 0.07 0.14 0.27 0.41 0.54 0.68 1.36 2.04 2.72 4.08 5.44 6.81 8.17 9.53 10.89 12.25

7 3.5 0.05 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 1.00 1.50 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00

7 4 0.05 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 1.00 1.50 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00

8 3.5 0.04 0.08 0.15 0.23 0.31 0.38 0.77 1.15 1.53 2.30 3.06 3.83 4.59 5.36 6.13 6.89

8 4 0.04 0.08 0.15 0.23 0.31 0.38 0.77 1.15 1.53 2.30 3.06 3.83 4.59 5.36 6.13 6.89

8 4.5 0.04 0.08 0.15 0.23 0.31 0.38 0.77 1.15 1.53 2.30 3.06 3.83 4.59 5.36 6.13 6.89

10 4.5 0.02 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.49 0.74 0.98 1.47 1.96 2.45 2.94 3.43 3.92 4.41

10 5.5 0.02 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.49 0.74 0.98 1.47 1.96 2.45 2.94 3.43 3.92 4.41

VELOCIDAD EN PULGADAS POR SEGUNDO

PISTON VASTAGO FUERZA SALIENDO (TONELADAS) PRESION (PSI) IN IN 100 500 1000 1500 2000 3000 4000 5000 100 500 1000 1500 2000 3000 4000 5000 1.5 5/8 0.08 0.40 0.80 1.20 1.61 2.41 3.21 4.01 0.07 0.33 0.66 1.00 1.33 1.99 2.65 3.32

1.5 3/4 0.08 0.40 0.80 1.20 1.61 2.41 3.21 4.01 0.06 0.30 0.60 0.90 1.20 1.81 2.41 3.01

2 1 0.14 0.71 1.43 2.14 2.85 4.28 5.71 7.14 0.11 0.54 1.07 1.61 2.14 3.21 4.28 5.35

2 1 3/8 0.14 0.71 1.43 2.14 2.85 4.28 5.71 7.14 0.08 0.38 0.75 1.13 1.51 2.26 3.01 3.76

2.5 1 0.22 1.12 2.23 3.35 4.46 6.69 8.92 11.15 0.19 0.94 1.87 2.81 3.75 5.62 7.49 9.37

2.5 1 3/8 0.22 1.12 2.23 3.35 4.46 6.69 8.92 11.15 0.16 0.78 1.56 2.33 3.11 4.67 6.22 7.78

2.5 1 3/4 0.22 1.12 2.23 3.35 4.46 6.69 8.92 11.15 0.11 0.57 1.14 1.71 2.27 3.41 4.55 5.69

3.25 1 3/8 0.38 1.88 3.77 5.65 7.54 11.31 15.08 18.84 0.31 1.55 3.09 4.64 6.19 9.28 12.38 15.47

3.25 1 3/4 0.38 1.88 3.77 5.65 7.54 11.31 15.08 18.84 0.27 1.34 2.68 4.01 5.35 8.03 10.70 13.38

3.25 2 1/2 0.38 1.88 3.77 5.65 7.54 11.31 15.08 18.84 0.15 0.77 1.54 2.31 3.08 4.62 6.16 7.69

4 1 3/4 0.57 2.85 5.71 8.56 11.42 17.13 22.84 28.55 0.46 2.31 4.62 6.92 9.23 13.85 18.47 23.08

4 2 0.57 2.85 5.71 8.56 11.42 17.13 22.84 28.55 0.43 2.14 4.28 6.42 8.56 12.85 17.13 21.41

4 2 1/2 0.57 2.85 5.71 8.56 11.42 17.13 22.84 28.55 0.35 1.74 3.48 5.22 6.96 10.44 13.92 17.39

5 2 0.89 4.46 8.92 13.38 17.84 26.76 35.68 44.60 0.75 3.75 7.49 11.24 14.99 22.48 29.97 37.47

5 2 1/2 0.89 4.46 8.92 13.38 17.84 26.76 35.68 44.60 0.67 3.35 6.69 10.04 13.38 20.07 26.76 33.45

5 3 0.89 4.46 8.92 13.38 17.84 26.76 35.68 44.60 0.57 2.85 5.71 8.56 11.42 17.13 22.84 28.55

5 3 1/2 0.89 4.46 8.92 13.38 17.84 26.76 35.68 44.60 0.45 2.27 4.55 6.82 9.10 13.65 18.20 22.75

6 2 1/2 1.28 6.42 12.85 19.27 25.69 38.54 51.38 64.23 1.06 5.31 10.62 15.92 21.23 31.85 42.46 53.08

6 3 1/2 1.28 6.42 12.85 19.27 25.69 38.54 51.38 64.23 0.85 4.24 8.47 12.71 16.95 25.42 33.90 42.37

7 3 1/2 1.75 8.74 17.48 26.23 34.97 52.45 69.94 87.42 1.31 6.56 13.11 19.67 26.23 39.34 52.45 65.57

7 4 1.75 8.74 17.48 26.23 34.97 52.45 69.94 87.42 1.18 5.89 11.78 17.66 23.55 35.33 47.10 58.88

8 3 1/2 2.28 11.42 22.84 34.25 45.67 68.51 91.35 114.18 1.85 9.23 18.47 27.70 36.93 55.40 73.86 92.33

8 4 2.28 11.42 22.84 34.25 45.67 68.51 91.35 114.18 1.71 8.56 17.13 25.69 34.25 51.38 68.51 85.64

8 4 1/2” 2.28 11.42 22.84 34.25 45.67 68.51 91.35 114.18 1.56 7.81 15.61 23.42 31.22 46.83 62.44 78.05

10 4 1/2 3.57 17.84 35.68 53.52 71.36 107.05 142.73 178.41 2.85 14.23 28.46 42.68 56.91 85.37 113.83 142.28

10 5 1/2 3.57 17.84 35.68 53.52 71.36 107.05 142.73 178.41 2.49 12.44 24.89 37.33 49.78 74.66 99.55 124.44

FUERZA ENTRANDO (TONELADAS)

26262626

Figura 16 Tabla de velocidades y caudales con el vástago entrando. También están los cilindros "telescópicos". En estos el vástago consta de dos o más etapas una dentro de la otra, como se muestra en la figura 17, de tal forma que van saliendo una a la vez (por diferencia de áreas). Lográndose un recorrido que es igual al que tendría si fuera una sola etapa, multiplicado por el número de etapas que tenga. Fig. 17 Cilindro telescópico.

PISTON VASTAGO CAUDAL EN GPM VASTAGO ENTRANDO IN IN 0.5 1 2 3 4 5 10 15 20 30 40 50 60 70 80 90

1.5 0.625 1.32 2.64 5.27 7.91 10.54 13.18 26.35 39.53 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40

1.5 0.75 1.45 2.90 5.81 8.71 11.61 14.52 29.04 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40

2 1 0.82 1.63 3.27 4.90 6.53 8.17 16.33 24.50 32.67 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40

2 1.375 1.16 2.32 4.65 6.97 9.29 11.61 23.23 34.84 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40

2.5 1 0.47 0.93 1.87 2.80 3.73 4.67 9.33 14.00 18.67 28.00 37.33 >40 >40 >40 >40 >40

2.5 1.375 0.56 1.12 2.25 3.37 4.50 5.62 11.24 16.86 22.48 33.72 >40 >40 >40 >40 >40 >40

2.5 1.75 0.77 1.54 3.07 4.61 6.15 7.69 15.37 23.06 30.75 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40

3.25 1.375 0.28 0.57 1.13 1.70 2.26 2.83 5.65 8.48 11.30 16.95 22.60 28.25 33.90 39.55 >40 >40

3.25 1.75 0.33 0.65 1.31 1.96 2.61 3.27 6.53 9.80 13.07 19.60 26.13 32.67 39.20 >40 >40 >40

3.25 2.5 0.57 1.14 2.27 3.41 4.54 5.68 11.36 17.04 22.72 34.09 >40 >40 >40 >40 >40 >40

4 1.75 0.19 0.38 0.76 1.14 1.51 1.89 3.79 5.68 7.57 11.36 15.15 18.94 22.72 26.51 30.30 34.09

4 2 0.20 0.41 0.82 1.23 1.63 2.04 4.08 6.13 8.17 12.25 16.33 20.42 24.50 28.58 32.67 36.75

4 2.5 0.25 0.50 1.01 1.51 2.01 2.51 5.03 7.54 10.05 15.08 20.10 25.13 30.15 35.18 >40 >40

5 2 0.12 0.23 0.47 0.70 0.93 1.17 2.33 3.50 4.67 7.00 9.33 11.67 14.00 16.33 18.67 21.00

5 2.5 0.13 0.26 0.52 0.78 1.05 1.31 2.61 3.92 5.23 7.84 10.45 13.07 15.68 18.29 20.91 23.52

5 3 0.15 0.31 0.61 0.92 1.23 1.53 3.06 4.59 6.13 9.19 12.25 15.31 18.38 21.44 24.50 27.56

5 3.5 0.19 0.38 0.77 1.15 1.54 1.92 3.84 5.76 7.69 11.53 15.37 19.22 23.06 26.90 30.75 34.59

6 2.5 0.08 0.16 0.33 0.49 0.66 0.82 1.65 2.47 3.29 4.94 6.59 8.24 9.88 11.53 13.18 14.82

6 3.5 0.10 0.21 0.41 0.62 0.83 1.03 2.06 3.09 4.13 6.19 8.25 10.32 12.38 14.44 16.51 18.57

7 3.5 0.07 0.13 0.27 0.40 0.53 0.67 1.33 2.00 2.67 4.00 5.33 6.67 8.00 9.33 10.67 12.00

7 4 0.07 0.15 0.30 0.45 0.59 0.74 1.48 2.23 2.97 4.45 5.94 7.42 8.91 10.39 11.88 13.36

8 3.5 0.05 0.09 0.19 0.28 0.38 0.47 0.95 1.42 1.89 2.84 3.79 4.73 5.68 6.63 7.57 8.52

8 4 0.05 0.10 0.20 0.31 0.41 0.51 1.02 1.53 2.04 3.06 4.08 5.10 6.13 7.15 8.17 9.19

8 4.5 0.06 0.11 0.22 0.34 0.45 0.56 1.12 1.68 2.24 3.36 4.48 5.60 6.72 7.84 8.96 10.08

10 4.5 0.03 0.06 0.12 0.18 0.25 0.31 0.61 0.92 1.23 1.84 2.46 3.07 3.69 4.30 4.92 5.53

10 5.5 0.04 0.07 0.14 0.21 0.28 0.35 0.70 1.05 1.41 2.11 2.81 3.51 4.22 4.92 5.62 6.32

VELOCIDAD EN PULGADAS POR SEGUNDO

50 Ton

SUBIDA

DE LA BOMBA

50 Ton

BAJADA

AL TANQUE

27272727

CILINDROS DE DOBLE EFECTO. Los cilindros de doble efecto son en los que, tanto la salida como el retorno, se hacen por me-dio del aceite. Esto quiere decir que son capaces de suministrar potencia, tanto saliendo como entrando. El cilindro más común de doble efecto, consta de una camisa dentro de la cual va un pistón unido al vástago y dos tapas en los extremos que cierran la salida del aceite. Este pistón divide el cilindro en dos cámaras cuyas áreas sobre las que va actuar la presión son diferentes, debi-do a que una de ellas se encuentra el vástago. Durante el avance, el aceite ejerce presión sobre todo el área del pistón, mientras que en el regreso solo lo hace en el área anular, es decir, el área del pistón menos el área del vástago. Esto hace que a éstos cilindros se les conozca como"cilindros diferenciales". En la figura 18 se muestra el funcionamiento de un cilindro de doble efecto. Figura 18 Funcionamiento de un cilindro de doble efecto. En las tablas de la figura 14, 15 Y 16 se encuentran las características de los cilindros diferen-ciales, la tabla encontrada en el área efectiva de diferentes cilindros de tamaño estándar y la fuerza en libras para diferentes presiones de operación. Estas tablas sirven de ayuda cuando se necesita verificar el comportamiento de un sistema hidráulico Nuevo o cuando se desea verificar el funcionamiento de uno que esta fallando. En las tablas se puede apreciar como varia la fuerza y la velocidad de un cilindro saliendo o en-trando.

8000 lbs 8000 lbs

AVANCE DEL CILINDRO RETROCESO DEL CILINDRO

AL TANQUE

AL TANQUE DE LA BOMBA

DE LA BOMBA

28282828

En la figura 20 se muestra el corte de un cilindro hidráulico de doble efecto y se pueden ver todos sus componentes.

Figura 20 Corte de un cilindro de doble efecto Si a un cilindro de doble efecto se le hace vástago en los dos extremos, las áreas en las dos cámaras serán iguales. Este es un "cilindro de doble vástago". Este se usa cuando se requiere acoplar una carga en cada extremo o cuando se necesita el mismo desplazamiento, la misma fuerza o la misma velocidad en ambas direcciones. Cualquier cilindro de doble efecto se puede usar como uno de simple efecto conectando la sa-lida de la cámara del vástago, o la que este inactiva, al tanque. Existen varias opciones en los cilindros de doble efecto, en lo que se refiere a su construcción, según las especificaciones de la carga. Primero, en lo que se refiere a la velocidad, se usan empaques de poliméricos si no se sobrepasa de 1 (un) pie por segundo. Por encima de esta velocidad se deben usar empaques metálicos, parecidos a los que se usan en los motores de combustión interna. Además, si esta velocidad es muy alta, es recomendable usar amortigua-dores en los extremos, para que no se presenten golpes en los finales de carrera.

RASPADOR

BUJE

RETENEDOR

“O” RING CAMISA

CAMISA BRUÑIDA

EMPAQUE PISTON

AMORTIGUADOR

TUERCA DEL TENSOR TAPA TRASERA

TAPA DELANTERA

VASTAGO

GUIA ANTIFRICCION

PISTON

29292929

El amortiguador lo que hace es restringir la salida del aceite cuando el cilindro llega al extremo disminuyendo la velocidad en ese punto. En la figura 2.7 se muestra el funcionamiento de en amortiguador.

Figura 21 Funcionamiento de un amortiguador en un cilindro Otro parámetro importante que debe ser tenido en cuenta cuando se escoge un cilindro es el diámetro mínimo del vástago. Existen diferentes tablas para escogerlo de acuerdo a la fuerza del trabajo del cilindro. Estas se basan en el efecto de "columna" que debe soportar el cilindro y dependen del tipo de montaje que se use. En la figura 22 se muestran los diferentes tipos de montajes de cilindros.

Típico amortiguador recto

Amortiguador perfilado

Amortiguador Ideal

Pre

sió

n d

e am

ort

igu

ació

n

Carrera de amortiguador

30303030

Figura 22 Tipos de montaje

31313131

Los pasos para la selección adecuada del diámetro del vástago son los siguientes: 1 Seleccione el diámetro del pistón basándose en el valor de la carga y la presión de opera-ción de la línea de transmisión 2 Determine la longitud "L" entre los puntos de montaje y el correspondiente valor de "K" de acuerdo con la figura 2.8 3 Con esto valores se consulta la tabla de la figura 2.9 para seleccionar el diámetro adecuado del vástago 4 Si obtiene un diámetro sobre diseñado revise los valores de "L" y "K" Figura 23 Tipos de montaje y valores de “K”

FLANCHE FRONTAL

K= 4L

GUIA CORTA

K=L

SIN GUIA

K=4L

PIVOTADA ATRAS

K=L

FLANCHE POSTERIOR

K= 4L

GUIA LARGA

K=L/2

PIVOTADA AL FRENTE

K=L

PIVOTADA ATRAS

K=L

32323232

Si la carrera del cilindro es muy larga, al salir el vástago completamente, una fuerza axial so-bre este, debida a su propio peso en caso de estar en posición horizontal o cualquier otra que se pueda presentar, ocasionara un esfuerzo muy grande en el buje guía del vástago, lo cual disminuirá la vida del mismo.

Fig. 24 Tabla de selección de diámetros de vástago Para que este efecto sea mínimo, se usa lo que se conoce como "tubo de parada". Este es un espaciador que lleva el vástago al lado del pistón, con el fin de no permitir la salida completa del primero. En la figura 24 se observa como es el tubo de parada.

DIAMETR O DE VASTAGO

FUERZA (LBS) 5/8” 1” 1 3/8” 1 3/4” 2” 2 1/2” 3” 3 1/2” 4” 4 1/2” 5” 5 1/2” 6”

400 35 64 134

700 30 68 119

1000 26 60 105 156 190

1400 24 54 93 144 175 244 306

1800 27 46 84 127 160 230 294 366

2400 18 45 75 114 145 214 261 347

3200 16 40 68 103 131 195 252 329 398

4000 12 36 63 93 119 174 240 310 373 445

5000 9 36 60 87 112 163 225 289 359 426

6000 30 56 82 102 152 209 274 342 411 476

8000 25 51 76 93 136 186 244 310 375 446

10000 21 45 70 89 125 172 221 279 349 412

12000 17 41 64 85 117 155 210 270 306 388 455

16000 35 57 75 110 141 166 233 291 350 421

20000 28 52 66 103 136 173 218 276 325 385

30000 39 56 87 120 156 190 232 285 330

40000 24 43 75 108 142 177 210 248 293

50000 30 65 97 131 165 201 234 269 405

60000 57 88 119 154 191 226 256 384

80000 36 71 104 136 170 204 240 336

100000 56 91 120 154 199 224 324

120000 45 76 106 145 174 207 313

140000 64 95 129 162 194 301

160000 47 87 118 149 182 279

200000 65 96 131 160 260

250000 72 109 143 236

300000 85 120 212

350000 53 100 195

400000 72 182

500000 152

600000 114

700000 72

33333333

Figura 25 Tubo de parada Cuando la distancia "L" que aparece en la tabla de la figura 22 excede 40 pulgadas es reco-mendable usar el tubo de parada. La longitud de éste deberá ser de una pulgada por cada 10 pulgadas o fracción que esté por encima de las 40 pulgadas. Es decir: Así, si por ejemplo se tiene un cilindro de 4" de diámetro pivotado en los extremos y de 25 pul-gadas de carrera, "L" seria igual a 50 pulgadas mas la longitud de las tapas el pistón y los pivo-tes del cilindro que pueden ser de unas 13 pulgadas aproximadamente, es decir, 63 pulgadas en total. Por lo tanto como son 23 pulgadas por encima de las 40 básicas, el tubo de parada deberá ser de 3 pulgadas.

1 in

14 in

10

lbs

150 lbs

Reacción

3 in

12 in

10

lbs

SIN TUBO DE PARADA CON TUBO DE PARADA

L - 40 IN

10 TUBO DE PARADA =

TUBO DE PARADA

CARGA

50 lbs Reacción

34343434

MOTORES HIDRAULICOS Se denominan motores hidráulicos a los actuadores que tienen movimiento rotatorio. En cuan-to su construcción se parece mucho a las bombas pero en lugar de enviar caudal son movidos por éste a una velocidad que depende del mismo. Se distinguen dos clases principales, los motores unidireccionales y los bi direccionales En los motores unidireccionales la salida del aceite está conectada al retorno del sistema (tanque). En los bi direccionales existe la posibilidad de enviar aceite por cualquiera de las conexiones, con lo cuál se logra que el motor gire en una dirección o en otra según la entrada del aceite, en estos últimos se requiere tener un dreno eterno que permita enviar las fugas de aceite al tan-que y evitar así daños al motor. El tamaño de los motores se establece por su "desplazamiento". El desplazamiento es la canti-dad o volumen de aceite que requiere un motor para girar una vez. Es decir, la capacidad de cada cámara del motor multiplicada por el numero de cámaras. Los fabricantes también clasifican los motores de acuerdo con al "porcentaje de torsión". Este se define como el torque en Ib-in que da el motor por cada 100 PSI de presión en el aceite con este parámetro, se puede encontrar fácilmente el torque que proporcionará un motor a una presión determinada. multiplicándolo por la presión de trabajo y dividiendo por 100. Para averiguar el caudal necesario para que un determinado motor gire a la velocidad necesa-ria, se multiplica la velocidad por el desplazamiento. Si la velocidad esta en RPM y el despla-zamiento en in3/revolución, el caudal será:

También se puede hallar el torque teniendo el desplazamiento con la siguiente formula: En cuanto a la conformación física, existen tres tipos básicos de motores: ♦ De engranajes ♦ De paletas ♦ De pistones

TORQUE DE SALIDA= 100

PORCENTAJE DE TORSION x PRESION (psi)

VELOCIDAD ANGULAR (RPM) x DESPLAZAMIENTO (

231 (

Q (GPM) =

) in3333

gal

in3333

Rev )

PRESION (psi) x DESPLAZAMIENTO(

2 p (

TORQUE (Lb-in) =

) Rad

Rev

in3333

Rev )

35353535

MOTORES DE ENGRANAJES Normalmente constan de engranajes que trabajan juntos dentro de una cavidad sellada del motor. La presión del aceite actúa sobre las superficies de los dientes de uno de los engrana-jes generando así un torque en el eje de salida, que es el eje de los mismos engranajes. En la figura 26 se muestra en el corte transversal de uno de estos motores y la forma como ac-túa el aceite

Figura 26 Corte de un motor de engranajes El desplazamiento de este motor es igual a la cantidad de aceite que cabe entre dos dientes de un engranaje multiplicado por el número de dientes de los dos engranajes.

Figura 27 Motor hidráulico de piñones

ENTRADA

SALIDA

LA PRESION EMPUJA ESTOS DOS DIENTES Y P R O D U C E U N A FUERZA CON UN BRAZO DE PALANCA IGUAL AL RADIO MEDIO DEL PIÑON.

EL ACEITE ES TRANSPORTADO E N E S T A S CAVIDADES DESDE L A E N TR A DA HASTA LA SALIDA

Tapa frontal hecha de aleaciones de aluminio

Anillo “O”

Conjunto diseñado para mantener alta eficiencia y compensar el desgaste

Piñón auxiliar

Piñón motriz

Sección central de aluminio de alta resistencia

Hecho de bronce de alta resistencia

Sello “O”

Tapa trasera hecha de aleaciones de aluminio

Sello del eje

36363636

También hay motores de engranajes internos, en los cuales se tiene uno de los engranajes ro-tando dentro del otro. Uno muy especial de este tipo es el motor de "ge rotor", en el que existe un rotor (conocido como ge rotor) normalmente de seis dientes o lóbulos que gira dentro de un estator que tiene siete dientes o lóbulos internos. Entre los dos quedan espacios o cámaras dentro de los cuales va el aceite y por diferencias en las áreas en las que actúa la presión . La figura 28 muestra a la izquierda un motor en corte donde se aprecian todas las partes inter-nas. A la derecha en la misma figura, se ve un motor montado en su área de trabajo con las conexiones hidráulicas. En la parte inferior se muestran características típicas de estos moto-res En la figura 28A, parte superior izquierda se aprecian las cámaras de presión, el rotor y el es-tator, y en el centro el eje. Este ultimo esta descentrado con respecto al estator, lo cual hace que el centro del eje “orbite” alrededor del centro del estator. Por cada rotación del eje se lo-gran 6 orbitas, lo cual conduce a que cada cámara esta sometida a presión y retorno 6 veces en cada vuelta, actuando como un reductor de velocidad planetario, es decir logrando el efecto de una reducción de velocidad de 6 a 1 y una multiplicación del torque 6 veces. Figura 28 Motor ge rotor, vista y características. En la misma figura en la parte superior derecha, vemos que para poder hacer que el aceite se distribuya correcta y sincronizadamente se utiliza el bloque distribuidor o “manifold” y el con-

37373737

mutador. El bloque tiene 7 agujeros correspondientes a 7 cámaras, lo mismo que el conmuta-dor. Este ultimo, esta expuesto a una de las entradas de presión en su exterior y a la otra en su interior, lo cual hace que al orbitar sobre el bloque, queden expuestas siempre 3 cámaras a un puerto, otras 3 al otro y una queda cerrada en transición.

Figura 28A Como funciona el motor ge rotor.

Cámara neutral (1)

Cámaras en Baja Presión (retorno)

Cámaras en Alta Presión

Eje de Salida

Bloque Alimentador

Conjunto Rotativo

Conmutador

Posición 1 Posición 3

Posición 2 Posición 4

eje eje

eje eje

Rotación de la Presión

Rotación de la Presión

Rotación de la Presión

Rotación de la Presión

38383838

MOTORES DE PALETAS Un motor de paletas está compuesto por un rotor que tiene una serie de orificios radiales de-ntro de los cuales se mueven unas paletas que a su vez se desplazan por una pista que tiene una forma parecida a una elipse, con la cual se logra que las paletas salgan y entren dentro del orificio del rotor, . La presión actúa sobre el área de la paleta que esta fuera del rotor, ge-nerando una fuerza que a su vez se convierte en un torque en el eje del rotor que es el mismo del motor como se puede ver en la figura 29 Figura 29 Funcionamiento de un motor de paletas En un motor de paletas el desplazamiento es el volumen que hay entre dos paletas multiplica-do por el número de paletas. Teniendo en cuenta el recorrido neto de la paleta al entrar y salir del rotor.

Cámara de Retorno

Cámara de Entrada de Presión

Rotor

Anillo

Paleta

Entrada

Retorno

39393939

Figura 30 Motor de paletas Este volumen se puede aumentar si se hace que las paletas salgan más del orificio del rotor, es decir, si el agujero con forma elíptica del anillo externo se hace mayor. También se hace mayor el volumen si el rotor y, por tanto, las paletas y el anillo, se hacen más anchos. Debido a esto con un mismo cuerpo o carcaza se puede tener motores de diferentes desplazamientos. Figura 31 Resortes para mantener las paletas salidas

Plato de presión

Paleta

Rotor

Tapa Trasera

Anillo

Cuerpo Frontal

Eje de Salida

Chaveta

Anillo Retenedor

Rodamiento

Sello del Eje

Brazo de Pivote

Rodamiento

40404040

Existen diferentes formas de lograr que las paletas se mantengan rozando con la pista. La más sencilla es usando resortes que empujan las paletas como se ve en la figura 31. También se puede usar la misma presión del aceite para empujarlas como se ve en la figura 32. En los motores de alta eficiencia se usan las dos opciones.

Figura 32 Motores de paletas con presión piloto

Figura 33 Motor de paletas de alto torque

Arandela Ondulada

Conjunto Rotativo

Asiento Asiento

Válvula Selectora

Cuerpo

Tapa

Rotor Hueco

Esquinas cuadradas

41414141

MOTORES DE PISTONES Existen dos tipos de motores de pistones, los axiales y los radiales. Los motores de pistones axiales constan de un tambor con una serie de orificios dentro de los cuales se mueven entrando y saliendo, los pistones a medida que el tambor va rotando. En la figura 34 se muestra como es y como funciona este tipo de motor Figura 34 Motor de pistones axiales. Vista externa Figura 35 Motor de pistones axiales. Funcionamiento. El tambor por su parte frontal, gira rozando una tapa que es la que tiene los orificios de entra-da y de salida del motor y que están separados entre sí por un sello que hace el tambor contra la tapa. Al haber presión de aceite en la entrada, los pistones que están comunicados con esta son empujados hacia dentro. Los pistones que están comunicados con el orificio de salida, van moviéndose hacia fuera y expulsando el aceite que llevan.

Ranura de Plato de distribución

Agujero del bloque de pistones

Puerto de Entrada

Puerto de Salida

Grupo de Pistones

Plato de Deslizamiento

Eje de Salida

42424242

Figura 36 Motor de pistones axiales. Vista lateral Figura 37 Variación del desplazamiento en un motor de pistones axiales Así que el desplazamiento de un motor de pistones axiales será igual al área de cada pistón multiplicada por el número de pistones y por el recorrido que hacen dentro del tambor. Los pistones van apoyados en una pista que esta inclinada con respecto al plano de la tapa sobre la que gira el rotor. Si se varía la inclinación de la pista entonces varía también el des-plazamiento. El torque y la velocidad dependen tanto de esta inclinación y del área de los pis-tones. En la figura 27 se muestra este efecto. Debido a esta característica los motores de pistones axiales se pueden hacer compensados. El compensador es una válvula de control de presión que se utiliza para cambiar la inclinación de la pista, es decir, el desplazamiento del motor cuando se presentan cambios en la carga de trabajo. Físicamente el compensador consta de un pistón que está sujeto a la tensión de un re-sorte por un lado, y a la presión del aceite por el otro. A su vez la presión también está ac-tuando sobre otro pistón como se ve en la figura 37A que empuja la horquilla sobre la que va la pista aumentando la inclinación de la misma. Cuando la tensión sobrepasa el taraje del compensador, el primer pistón es empujado y algo de aceite logra salir hacia la carcaza del motor que está comunicada al tanque a través del dreno, limitando así la presión. Con el com-pensador se logra ajustar el desplazamiento del motor de manera que éste proporcione el

Angulo parcial del plato (Parcial desplazamiento)

Angulo Máximo del plato (Máximo desplazamiento)

Angulo cero del plato (Mínimo desplazamiento)

43434343

máximo de rendimiento bajo todas las condiciones de carga, ya que cuando ésta aumenta la presión sube haciendo que el desplazamiento sea mayor y por lo tanto el torque también au-mente.

Figura 37A En el motor de pistones radiales. Estos están ubicados perpendicularmente con respecto al eje del motor. La presión sobre cada uno independiente, empujándolos hacia el centro el cual es-tá desfasado con respecto al centro del eje y por lo tanto hace que se genere un torque en el mismo. Son motores normalmente de alto desplazamiento. Esto implica que el torque de salida es grande y la velocidad es relativamente baja, por lo cual se conocen como motores de alto torque y baja velocidad o motores HTLS (high torque low speed), por las iniciales en ingles, igual que los de ge rotor, siendo estos de menor tamaño. En la figura 38 se les y un corte del mismo

Figura 38 Motor de pistones radiales

Pistón que varia el desplazamiento

44444444

Preguntas 1 ¿Qué factores limitan la longitud del vástago? 2 ¿Por qué se utilizan tubos de parada? 3 El fabricante de un cilindro de 4 pulgadas de diámetro recomienda que la presión interna no exceda 2500 PSI. ¿Cuál es la fuerza máxima que puede hacer el cilindro? 4 Se necesita un cilindro capaz de levantar 7 toneladas en el mínimo de tiempo sin que la pre-sión del sistema sea mayor que 2500 PSI. ¿Qué diámetro recomienda usted para el pistón? 5 ¿Cómo se establece el tamaño de los motores hidráulicos? Ejercicios 1.Se tiene una bomba de 4 GPM. El fabricante de la bomba recomienda que la presión a la sa-lida sea menor de 3000 PSI. La bomba se conecta a un actuador que debe levantar una carga de 35 toneladas. ¿ Cuál es el diámetro del pistón con el que se logra levantar la carga en el mínimo tiempo? 2 Un actuador de doble efecto tiene un pistón de 5 pulgadas de diámetro y un vástago de 2.5 pulgadas de diámetro. El vástago sale 12 pulgadas en 30 segundos. a)¿Cuánto demorará en entrar? b)¿Qué caudal suministra la bomba? 3 Un sistema hidráulico en el que la presión no debe sobrepasar los 3000 PSI se diseña para levantar un peso de 3.5 toneladas. Se utilizará un montaje de flanche posterior. Sabiendo que el diámetro del vástago es la mitad del diámetro del pistón estime la longitud máxima del vás-tago que puede utilizarse. 4 El motor hidráulico de un winche puede llegar a necesitar hasta 60 lbf-ft. ¿Cuál debe ser su desplazamiento (en in3/Rev.) si la presión no debe exceder los 1500 PSI? 5 Un motor hidráulico es utilizado para mover una banda sin fin. El motor debe lograr un torque de 500 NM y girar a 100 RPM. La presión del sistema es de 1750 PSI. a) Calcule el desplazamiento necesario. b)¿Qué caudal necesita el motor?

45454545

IMPULSORES Dentro de un sistema hidráulico, los impulsores son los elementos encargados de suministrar el aceite según los requerimientos. El más importante de estos es la bomba hidráulica, que se requiere en todos los sistemas. También se puede obtener aceite a presión guardándolo en un acumulador y tomándolo en el momento preciso en el que debe hacer un caudal extra en el sistema. El acumulador también sirve para amortiguar golpes cuando hay cambios muy bruscos de presión o para mantener una presión constante en la línea. Otro elemento impulsor es el multiplicador de presión, que sirve para cambiar caudal de pre-sión, ya que por diferencia de áreas un actuador doble, multiplica (como su nombre lo indica) la presión pero disminuye la cantidad de aceite desplazado. Los símbolos con que se representan estos elementos son: ♦ BOMBAS ∗ De desplazamiento fijo ∗ De desplazamiento variable ♦ ACUMULADORES ∗ De resorte cargado ∗ Cargado de gas ♦ MULTIPLICADORES DE PRESION

46464646

BOMBAS La bomba es el transductor de entrada del sistema hidráulico Convierte la energía mecánica en hidráulica empujando el aceite dentro del sistema. Se distinguen dos tipos básicos de bombas -Hidrodinámicas -Hidrostáticas Las hidrodinámicas o de desplazamiento no positivo, tales como el diseño de turbina o centri-fugas, se usan principalmente para transferir fluidos en donde la única resistencia encontrada es la creada por peso y fricción del mismo fluido En ellas no existe una separación física entre la entrada y la salida, no hay sello positivo entre los dos orificios y la capacidad de presión es a causa del impulsor de velocidad. Las bombas hidrostáticas o de desplazamiento positivo tienen un sello “o” que separa la entra-da de la salida haciendo que ésta sea totalmente independiente de la presión del fluido (excepto por las perdidas por fuga): Por esto, la cantidad de aceite que envían es constante en cada ciclo o revolución y por ello se especifican por la cantidad de aceite que envían a una de-terminada velocidad. BOMBAS DE ENGRANAJES En la bomba de engranajes, el aceite es llevado de la entrada hacia la salida en el espacio que hay entre dos dientes de cada engranaje. Uno de los engranajes es impulsado por la fuente de entrada del sistema y éste a su vez mueve el otro engranaje. Los dos se hallan dentro de una cámara conformada por un "anillo" que forma parte de la carcaza de la bomba y dos platos laterales, llamados platos de presión. En la figura 39 se muestra el corte de una bomba de en-granajes Figura 39 Bomba de engranajes.

SALIDA

ENTRADA

LA PRESION DE LA SALIDA GENERA U N A C A R G A RADIAL SOBRE LOS EJES COMO LO I N D I C A N L A S FLECHAS.

EL ACEITE ES TRANSPORTADO E N E S T A S CAVIDADES DESDE L A E N TR A DA HASTA LA SALIDA

EL ACEITE ES FORZADO HACIA FUERA POR EL O R I F I C I O D E P R E S I O N CONFORME LOS DIENTES SE VAN ENCONTRANDO

UN VACIO SE VA GENERANDO EN LA MEDIDA QUE LOS D I E N T E S S E ALEJAN EN LA ENTRADA

47474747

También se encuentran bombas de engranajes de tipo lóbulo, bombas de engranajes internos, es decir, un engranaje dentro de otro o bombas de ge rotor, aunque no son tan comunes. En la figura 40 y 41 se muestran estas bombas. Figura 40 Bomba de lóbulos

Figura 41 Bom- ba de engranajes

internos.

SALIDA

ENTRADA

48484848

Figura 42 Bomba de ge rotor. Las bombas de engranaje en general, son las de menor costo y tienen muy buena capacidad para soportar impurezas en el aceite, sin embargo, con el desgaste aumentan mucho las fugas internas y se baja la eficiencia. Por otro lado, una bomba de engranajes con muchas cámaras de bombeo genera alta frecuencia, lo que produce mucho ruido. BOMBAS DE PALETAS Las bombas de paletas también se parecen mucho a los motores. Constan de un rotor ranurado que gira dentro de una cámara conformada por un anillo que sirve de pista para las paletas que van dentro de las ranuras del rotor, entrando y saliendo con el movimiento, y los platos de presión, en los cuales está el orificio de entrada en uno y de sali-da en el opuesto, tal como se muestra en la figura 43 Figura 43 Bomba de paletas sencilla y doble.

Salida Entrada

Engranaje interior

Engranaje exterior

49494949

Para hacer que a esta bomba se le pueda variar el caudal, se deben acercar los centros del rotor y del anillo, con el fin de disminuir el volu-men existente entre dos paletas disminuyendo el desplazamiento de la bomba. Además, se puede tener una bomba "compensada por presión", es decir, que cuando se llegue a una presión predeterminada en el siste-ma, la bomba deje de enviar todo el caudal y envíe sólo el necesario pa-ra mantener dicha presión disminuyendo el consumo de potencia. Esto se logra aprovechando la fuerza que se genera en el anillo debida a la misma presión en el aceite, enfrentada a la fuerza de un resorte que se puede comprimir por medio de un tornillo de graduación. Cuando la fuer-za del anillo es mayor que la tarada en el resorte, éste se desplazará y la cámara de bombeo disminuirá. La presión en las paletas produce una fuerza radial en el eje de la bomba. Esta fuerza se pue-de evitar si se coloca otra paleta en el lado opuesto del rotor soportando la misma presión de la primera. Este sistema se utilizó para el diseño de las bombas de paletas "balanceadas", que se mues-tran en la figura 3.7. En ellas, el anillo tiene un orificio interno con una forma elíptica en lugar de circular, igual a la que se vio en los motores de paletas, y en lugar de tener un orificio en cada plato de presión para la entrada y salida del aceite tiene dos que están ubicados a 180 grados el uno del otro, logrando en medio giro succionar y expulsar el aceite.

Figura 43 Bombas de paletas "Balanceada" En la figura 44 se muestra un dibujo en corte de la parte posterior de la misma bomba.

Tapa de Entrada

Agujero pasante succión

Anillo

Plato soporte - entrada Paleta

Paleta - inserto

Rotor Sellos

Platos flexibles

Sello cuadrado Tapa de salida

Plato soporte salida

Rodamiento eje

Sello

Eje

Salida

Entrada

Paleta

Rotor

50505050

Figura 44 Bomba de paletas. El plato de presión hace sello contra el rotor. Igual que en los motores, el tamaño de las bombas de paletas se puede aumentar haciendo más amplio el orificio del anillo o haciendo más anchos el anillo, rotor y paletas (estos tres ele-mentos se conocen como el conjunto rotativo de la bomba de paletas). A diferencia de los motores, en las bombas las paletas se mantienen contra la pista por la fuerza centrifuga y no por los resortes, aunque se usa la presión del aceite en algunas bombas de alto rendimiento, para aumentar esta fuerza. En la figura 45 se muestra una bomba de pale-tas de alta eficiencia y en la figura 46 la forma como trabaja el sistema de presión en las pale-tas para mejorar la eficiencia de la bomba. Se usa una "doble paleta" para que la fuerza sobre el anillo no sea mayor de la que realmente se necesita. Figura 45 Corte de una bomba de alta eficiencia.

Descarga

Anillo

Presión del sistema

Efectiva aquí

Paleta

Rotor

Eje

Resorte

Presión en Cartucho Plato de Presión

Tapa Trasera

51515151

Figura 46 Detalle de funcionamiento de una bomba de alta eficiencia. Tanto en las bombas de engranajes como en las de paletas, existe la posibilidad de tener una bomba con varias salidas y entradas de aceite. En algunos casos se logra uniendo entre sí varias bombas que tienen ejes que las atraviesan de un lado a otro, Pero son más comunes las bombas que tienen un solo cuerpo y que cons-tan de dos o más salidas o entradas de aceite. Las que más se usan son las bombas dobles,

Presión de salida

Presión de salida o de entrada

Rotación

Inserto

Salida

Eje Entrada

Salida

Paleta

Rotor

Anillo Entrada

Salida

Entrada

52525252

que frecuentemente tienen una entrada y dos salidas una de alto caudal y la otra de bajo. En la figura 47 se muestran unas bombas dobles de paletas. Figura 47 Bomba doble de paletas

Figura 48 Partes internas de las bombas de paletas, Conjunto rotativo

53535353

Se usan mucho las bombas dobles para tener un caudal grande a baja presión y uno pequeño a alta presión, con el fin de poder tener en aquellos sistemas en los que hay un recorrido del cilindro en el que no efectúa ningún trabajo, sino que se aproxima a la pieza sobre la que va a trabajar, una gran velocidad inicial y al final una gran fuerza, pero con un consumo de potencia bajo. En éste caso se determina la potencia necesaria para tener la presión de trabajo con el caudal bajo, y luego se encuentra la máxima presión que puede lograr con los dos caudales (el bajo y el alto) y la potencia hallada. Para lograr éste funcionamiento, que se conoce como sis-tema de "alta y baja", se usan unos controles de presión específicos, que se verán en detalle en el próximo capitulo. Comparadas de las bombas de engranajes, las de paletas son un poco más costosas, pero producen menos ruido y no disminuyen tanto su eficiencia con el desgaste, ya que las paletas pueden salirse más de su orificio en el rotor.

54545454

BOMBAS DE PISTONES Al igual que los motores existen dos tipos básicos de bombas de pistones, las de pistones axia-les y las radiales. Las de pistones axiales constan también de un tambor dentro del cual se mueven los pistones (generalmente nueve) y que está en contacto con la tapa de presión que tiene las conexiones de entrada y salida. Por el lado opuesto los pistones se apoyan en una pista que tiene determi-nada inclinación con respecto a la tapa de presión. En la figura 49 se muestra el conjunto del tambor, los pistones, la placa de presión y la pista colocada sobre el plato inclinado. Figura 49 Bomba de pistones

55555555

Con el movimiento unos pistones al retraerse van succionando mientras los otros expulsan el aceite a través de los orificios de la placa de presión. En la figura 50 están los cortes de una bomba de pistones axiales y se pueden observar todas sus piezas. Como se ve el plato inclinado tiene una posición fija, pero se puede conseguir cam-biar esta inclinación, para lograr una variación en el desplazamiento de la bomba. Figura 50 Bomba de pistones axiales Al variar el desplazamiento, el caudal de la bomba cambia (Figura 51). Este se pude hacer ma-nualmente con un dispositivo que esté conectado al plato de inclinación. Ya sea una palanca o una rueda o se puede hacer con un actuador hidráulico manejado con un regulador de presión, como en el caso de los motores compensados, solo en este caso, cuando la presión llega al va-lor tarado en el regulador, el plato se coloca en posición casi vertical, haciendo que la bomba disminuya el caudal y envíe sólo el necesario para mantener la presión, con el objeto de bajar el consumo de potencia mientras se sostiene la presión. Este tipo de bomba es muy usado en algunos sistemas en lo que se requiere el sostenimiento de la presión, durante períodos largos del ciclo, o en sistemas en los que se requiere diferentes

Descarga

Succión

Bloque de conexión

Bloque de pistones

Eje

Plato de las zapatas de los pistones

Pistón

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caudales en diferentes momentos del ciclo, ya que la bomba se compensa y no envía sino el caudal requerido según la presión.

Figura 51 Al variar la inclinación varía el desplazamiento. En la figura 52 se muestra el funcionamiento de este sistema, conocido como compensador de presión. Existe una comunicación desde la conexión de salida de la bomba, es decir, la línea de presión hasta la entrada del regulador o compensador de presión, en el que hay un pistón que está siendo empujado por un resorte al que se puede aumentar o disminuir la compresión. Cuando la presión actuando sobre el pistón, vence la fuerza que le hace el resorte, se abre un paso hacia un pequeño actuador que empuja el plato de inclinación que esta montado sobre una horquilla y que se mantiene inclinada por la acción de otro resorte dentro de la carcasa. Si la presión se baja entonces la horquilla tiende a volver a su inclinación original y el caudal vuel-ve a aumentar. La bomba de pistones no es tan común. En ella los pistones están colocados perpendicular-mente con respecto al eje, que tiene una leva para poder hacer mover los pistones dentro de cada cámara. La bomba de pistones son las más costosas y las más eficientes de las bombas, ya que los se-llos son mucho mejores que en las demás. También son las más delicadas con respecto a la contaminación y las impurezas del aceite, debido a las tolerancias tan pequeñas que hay entre sus elementos. Por su alta eficiencia, son las que más se usan cuando se requiere presiones mayores de 3000 o 3500 PSI.

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Figura 52A Compensador de presión, funcionamiento.

Compensador

Servo pistón

Conexiones de los puertos

Tapa trasera

Conjunto rotativo

Pivote del plato oscilante

Carcaza Eje Motriz

Rodamiento

Sello del eje

Plato oscilante

Resorte de la horquilla

Horquilla

Compensador de Presión Carrete del compensador

Pistón servo

Presión de la bomba

Plato oscilante

Retorno a tanque

Succión

Bomba compensada Bomba sin compensar

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Figura 52B Bomba de pistones compensada, vista en corte, exterior e interior.

Eje

Rodamientos

Bloque de pistones

Plato de conexión

Tapa trasera

Pistón servo de compensador

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ACUMULADORES Los acumuladores son los elementos en los cuales se almacena cierta cantidad de aceite a pre-sión, con el fin de utilizar esa energía acumulada posteriormente. Los principales usos de los acumuladores son: ♦ Incrementar la velocidad de un

actuador en una maquina. ♦ Atenuar picos de presión ♦ Para compensar las perdidas de

presión debido a fugas de aceite. ♦ Disminuir el tamaño de la potencia

instalada utilizando los tiempos muertos.

Para lograrlo, se aprovecha la compre-sibilidad de los gases, en este caso el nitrógeno (no se debe usar oxigeno, pues tiende a explotar al quedar en con-tacto con el aceite), el cual se tiene en una cámara que es comprimida por el aceite a presión. Al comprimirse disminuye su volumen, luego parte de este volumen se recupera disminuyendo la presión en el aceite hasta la presión de trabajo del sistema. Así que se tienen tres presiones involucradas en este proceso. Una es la presión inicial a la que se encuentra el nitrógeno (llamada presión de precarga), la segunda es la presión a la que debe llegar el sistema para obtener el volumen deseado (presión máxima) y la tercera es la presión mínima requerida en el sistema para efectuar el trabajo deseado. La cámara en la que se encuentra el nitrógeno puede estar separada de la cámara del aceite en el acumulador por un pistón, similar al de un cilindro hidráulico (Fig. 53A) o pueden quedar los dos en contacto (figura 54). Las más comunes tienen una vejiga de caucho dentro de la cual esta el nitrógeno (figura 55) y (figura 55A).

Figura 53. Acumuladores hidráulicos.

Entrada de aceite Seguro

Tapa Aceite

Tubo Pistón Sello Guía

Válvula de carga de N2

Cubierta de válvula

Figura 53A. Acumuladores de pistón.

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También se encuentran acumuladores que usan la fuerza de resortes o de pesos muertos en lugar del gas aunque son los menos comunes como se ve en la Fig. 54.. Otras funciones útiles de los acumuladores son como absorsores de vibraciones y de choques. Las primeras debidas a las pulsaciones de las bombas, que pueden ocasionar problemas en instrumentos sensibles o incluso dañar líneas de tubería o válvulas, o en instalaciones que utili-cen servo válvulas para evitar que el valor de presión se mantenga siempre constante. Los choques se presentan por cambios muy bruscos de presión que pueden haber en cualquier sis-tema o por el cierre rápido del paso del aceite, generando una onda de presión debida a la rápi-

Figura 54 Acumulador sin separación entre el nitrógeno y el aceite.

Figura 55. Acumulador de Diafragma

Tapa protectora. Para asegurar que no haya fuga de Nitrógeno

Cuerpo compacto. Fabricado de dos secciones hemisféricas de lamina de acero de alta resistencia soldadas entre si con el proceso “Rayo de electrones”.

Retenedor de Diafragma. Sistema de seguridad que mantiene el diafragma en la posición adecuada para extender su duración.

Tapón Anti-Extrusión. Esta moldeado en el diafragma para evitar que el diafragma se extruya entre la conexión de aceite.

Conexión hidráulica amplia. Asegura que la descarga del acumu-lador se puede hacer evacuando grandes caudales.

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da desaceleración del aceite y que se queda vibrando en la línea. El choque produce un gran ruido y crea un pico de presión que puede ser muchas veces mayor que la presión máxima del sistema. La escogencia del tamaño de los acumuladores se hace frecuentemente con curvas que sumi-nistran los fabricantes, en las cuales se tiene la variación de volumen para diferentes presiones de precarga y de operación. Los acumuladores son elementos que relativamente son muy durables. Los mayores problemas se presentan cuando la presión de precarga de Nitrógeno se baja por fugas del gas hacia el sis-tema hidráulico o al ambiente, debido a fallas en los sellos del pistón en el caso de los acumula-dores de pistón y a la rotura de la membrana o vejiga en los otros. Dependiendo del tipo de aplicación, los efectos de la falta de precarga se pueden ver de la si-guiente forma: Baja dramática en la velocidad del actuador o de la maquina, aumento en la vibración o inesta-bilización de la presión.

Vejiga de caucho

Cuerpo

Válvula anti-extrusión

Válvula de carga N2

Nitrógeno

Aceite

Figura 55A Acumulador de Vejiga.

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MULTIPLICADORES DE PRESIÓN El multiplicador de presión es una palanca hidráulica. El aceite de la bomba entra en una cáma-ra como la de un cilindro, que está separada de otra cámara (figura 57) de la que va a salir el aceite hacia el actuador. El pistón de la primera cámara es de mayor diámetro que el de la se-gunda, por tanto, por diferencia de áreas la presión en la segunda cámara va ser mayor que en la primera en una proporción igual a la relación entre las dos áreas. La cantidad de aceite que va a salir (caudal) en cambio va disminuir en la misma proporción.

Por ser básicamente fabricados de la combinación de dos cilindros hidráulicos, tienen algunas limitaciones en cuanto a la cantidad de aceite que van a manejar debido al diámetro y carrera de los cilindros. Se debe tener en cuenta que el volumen desplazado por el pistón de salida de-be ser mayor que el del actuador de la maquina.

Figura 57 Multiplicador o intensificador de presión de simple y doble efecto.

Figura 57A. Intensificador comercial.

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Preguntas 1¿porqué en los accionamientos hidráulicos se emplean bombas de desplazamiento positivo y no de otro tipo? 2 A 1200 RPM una bomba 8 GPM. ¿cuál será el caudal suministrado a: -1500 RPM -1800 RPM 3 Describa el funcionamiento de una bomba de pistones compensada por presión. 4 Compara las bombas de engranajes, las de paletas y las de pistones. ¿Cuándo escogería bombas de un tipo y cuando no? 5 Explique tres motivos por los cuales emplearía acumuladores en un sistema hidráulico. Ejercicios 1.Una inyectora tiene una presión máxima de cierre de 100 toneladas y realiza una carrera de 200 Mm. en 0.8 segundos. Entre el diámetro del pistón, el caudal y la potencia necesarios, si la presión del sistema no debe sobrepasar los 3000 PSI. 2 Una prensa de embutido debe ser capaz de ejercer una fuerza equivalente a 550 toneladas moviéndose a una velocidad de 10 Mm./s. la presión del sistema debe estar alrededor de 4000 PSI, a) Encuentre el diámetro del pistón, la presión del sistema y el caudal necesario. b)¿Que tipo de bomba emplearía? 3 Algunas perforadoras necesitan al final del recorrido una pequeña cantidad de aceite a una presión varias veces mayor. Para ello puede emplearse un multiplicador de presión. Se tiene una perforadora con un pistón de 8 in de diámetro una bomba de 12 GPM y un multiplicador de presión con una relación de áreas de 5.1 si desea que la presión en las líneas de transmisión no supere los 300 PSI Calcule a) fuerza máxima y velocidad de avance normal del sistema. b) fuerza máxima y velocidad de avance del sistema utilizando el multiplicador de presión. 4 Para una operación de doblado se necesita una prensa de 50 Mp (megaponds) con una velo-cidad de 60 Mm./s. El recorrido debe poderse ajustar hasta 500 mm. Si la presión no debe ex-ceder de 200 bar. Calcule el diámetro del pistón, el tamaño de bomba requerido y la potencia requerida por el sistema. 5 Una prensa tiene las siguientes características Fuerza nominal 150 toneladas Diámetro del pistón 12 in Potencia máxima consumida por el motor eléctrico: 16 KW Presión máxima del sistema: 3000 PSI Estime el caudal de la bomba y la velocidad del trabajo

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VALVULAS En un sistema de transmisión de potencia hidráulico, el medio usado es teóricamente incom-prensible, en estas conferencias se ha hablado de aceite hidráulico. Así que para obtener la sa-lida deseada en el sistema se hace necesario controlar el sentido, el caudal y la presión de acei-te. Para lograr esto, se deben usar diferentes elementos diseñados para elaborar distintas fun-ciones. Controlando el sentido del aceite con controles o válvulas direccionales, se puede hacer que un actuador se mueva en una dirección o en otra. Controlando el caudal se regula la veloci-dad con la que se va a mover un actuador y controlando la presión, se puede ajustar la fuerza o el torque máximo que se va a efectuar en este actuador ♦ VALVULAS CHECK ∗ SENCILLOS ∗ PILOTADOS ♦ VALVULAS DIRECCIONALES ∗ DOS, TRES Y CUATRO VIAS ∗ DOS Y TRES POSICIONES ♦ CONTROLES DE PRESION ∗ VALVULAS DE ALIVIO ∗ VALVULAS DE SECUENCIA ∗ VALVULAS REDUCTORAS DE PRESION ♦ CONTROLES DE CAUDAL VARIABLES

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VALVULAS CHECK O DE RETENCION Las válvulas más sencillas son las de una vía y dos posiciones. La vía de aceite es entre una entrada de presión "P" y la salida "A". En una posición no hay paso de aceite y en la otra posi-ción si hay paso. Esta se conoce como válvula de retención o válvula check, ya que debido a que se acciona con la presión del aceite, da paso a una dirección pero no permite paso en la di-rección opuesta y su representación esquemática se simplifica con el dibujo que se muestra en la parte izquierda de la figura 58 Esta representación tiene la ventaja que indica que hay sello entre la salida y entrada de aceite, es decir, que no se van a representar fugas de aceite cuando la válvula esté cerrada.

Físicamente se pueden encontrar válvulas de retención como la de la figura 58,es decir, con la entrada y la salida alineadas, o también se construyen en forma de codo (figura 59) Para que exista paso de aceite a través de la válvula la presión debe vencer la fuerza que hace el resorte, más la fuerza que origina la presión que hay a la salida. Si se requiere paso de la sa-lida hacia la entrada en algún momento del ciclo de un sistema, se pueden usar válvulas de re-tención pilotadas, en las cuales se tiene una conexión de presión que va a un pequeño pistón que empuja el cono que hace el sello, abriendo la válvula (Fig. 60).

Flujo Libre

Flujo Retenido

Figura 59. Válvula de retención o check (una vía, dos posiciones) en Angulo.

Figura 58. Válvula check en línea.

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Existen también válvulas de retención pilotadas para cerrar, es decir, que la válvula permanece abierta hasta que se aplica una presión en la línea piloto que hace que la válvula se cierre. Este tipo de válvula también puede ser muy útil en algunos sistemas.

Figura 60. Check pilotado para abrir.

Presión piloto

Pistón piloto Empujador Pistón principal

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VALVULAS DIRECCIONALES Las válvulas direccionales o distribuidoras tienen dos o más vías y dos o tres posiciones nor-malmente, aunque se pueden conseguir válvulas de muchas más posiciones. La válvula de dos vías y dos posiciones tiene tres conexiones, una entrada de presión "P" y dos salidas "A" y "B”. En una posición se comunican P con A, y B permanece cerrada, y en la otra posición se comunican P con B, y A queda cerrada (figura 61). En la válvula de dos posiciones y cuatro vías se comunican P con A y B con T, que es la co-nexión de retorno al tanque, en la primera posición y P con B y A con T en la segunda posición (figura 61).

Existen varios tipos de válvulas direccionales en cuanto a su construcción. Las más comunes son las de tipo carrete o "spool". Estas constan de un carrete cilíndrico que se desplaza dentro de un orificio del cuerpo de la válvula. A este orificio llegan las diferentes conexiones de entrada y salida de la válvula. En la figura 62 se ve como es una válvula de cuatro vías y dos posiciones.

DE LA BOMBAAGUJERO "P"

AL CILINDROAGUJERO "A"

AL CILINDROAGUJERO "B"

AL TANQUEAGUJERO "T"

VALVULAS DE 2 VIAS

VALVULAS DE 4 VIAS

Figura 61. Válvula de tres y cuatro vías y dos posiciones

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También existen diversas formas de accionar (cambiar de posición) las válvulas direccionales. Se pueden hacer manualmente, con una palanca o una leva, con resorte (figura 64), neumáti-camente, hidráulicamente (Fig. 65) o eléctricamente (Fig. 66)

Presión a “B” y “A” al Tanque Presión a “A” y “B” al Tanque

Figura 62. Válvula de carrete o “spool” de cuatro vías

P T

A

P T

A

P T

A

P T

A

P T

A B

T P T

A B

P T

A B

A B

T P T P T

A B

P T T

A B

Figura 63. Válvulas direccionales de 2 y 3 vías.

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En la figura 64 se ve como es realmente el cuerpo y el carrete (spool) de una válvula. Siempre la entrada de presión queda en el centro de la válvula, las salidas "A" y "B" a ambos lados de "P" y en los extremos dos salidas hacia el tanque, que generalmente están unidas en-tre sí dentro del mismo cuerpo como se ve:

Se pueden distinguir diferentes tamaños de válvulas estándar, la menor es la de ¼” Que se usa principalmente para manejar líneas de presión piloto y cuyo caudal nominal es de 5 GPM.

Puerto de drenaje piloto externo

La presión piloto actúa sobre los dos extremos del carre-

te principal

Carrete de válvula piloto

Actuador manual del carrete para chequeo

Conducto de drena-je piloto interno

Figura 64. Válvula direccional eléctrica y pilotada en corte.

PA BT

PA

B

T

Figura 65. Funcionamiento de válvula de carrete eléctrica y pilotada hidráulicamente.

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se monta en una placa a la que llegan las líneas de tubería o manguera de presión. Su acciona-miento es eléctrico; esto se hace por medio de una bobina que tiene un núcleo que se despla-za. Cuando la corriente llega a la bobina, la fuerza ejercida por el flujo magnético sobre el nú-cleo hace que éste empuje el carrete de la válvula, logrando así el cambio de posición en la misma. (Fig. 67)

Actuador manual

Caja de conexiones eléctricas

Cuerpo Tapa, solo para válvu-las de 1 bobina

Tapa, 2 bobinas

Carrete o spool Bobina

Núcleo de solenoide

Núcleo húmedo

Pin empujador

Figura 66. Válvula direccional eléctrica de 1/4”

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La siguiente válvula en tamaño es la de 10 GPM nominal. Esta también es de accionamiento eléctrico y montaje en placa. La placa tiene una distribución de los orificios estandarizada mun-dialmente así como la válvula anterior. Se pueden ver los diferentes tipos de montaje para vál-vulas direccionales en el Apéndice 1. En la siguiente Figura podemos ver varias vistas de esta válvula y además otra en corte.

La siguiente válvula ya no puede ser accionada directamente por un solenoide, ya que resulta-ría muy grande, así que lo más frecuente es usar la misma presión del aceite, manejada con una válvula de 5 GPM. Esta es una válvula de 3/4", que está hecha para 50 GPM de caudal nominal. La distribución de los orificios es similar a la que se ve en el apéndice 1 con P en el centro de la válvula y T en el extremo. Con esta misma configuración existen válvulas hasta de 3” de diá-metro.

ARMADURABOBINA

PINEMPUJADOR

CARRETE

CUANDO LABOBINA SE

ENERGIZA, LAARMADURA SE

ENTRA YEMPUJA EL

PIN

Figura 67 La bobina del solenoide origina la fuerza para desplazar el carrete en válvulas pequeñas.

Actuador manual

Solenoide de núcleo húmedo

Tapa, 1 bobina

S e g u n d o solenoide

Figura 68. Válvula direccional de 10 GAL/min.

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El corte que se muestra es de la válvula de tres posiciones.

Las válvulas direccionales pilotadas además de los cuatro orificios ya relacionados tienen dos conexiones adicionales llamadas presión piloto y drenaje.

Detente

Dos posiciones, con detente Tres posiciones, centrado por presión

Tres posiciones, centrado por resorte Solenoide a energizado

Figura 69. Válvula de 50 GPM. Varias configuraciones , en corte.

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La presión piloto externa se usa cuando existe la posibilidad de que no halla presión suficiente (75 PSI mínimo) en la entrada de la válvula “P”, para que el carrete sea desplazado y por lo tanta se necesite tomar presión de otro punto del sistema. El dreno externo se usa cuando en el retorno de la válvula existe mucha presión.

Cuando la válvula tiene tres posiciones, las dos de los extremos son las mismas que tienen las de dos posiciones. La adicional es la posición central que puede ser de diferentes formas. Esta posición adicional se logra haciendo que el carrete se ubique en un punto intermedio de su re-corrido dentro del cuerpo de la válvula. Esto se puede hacer con resortes colocados en los ex-tremos del carrete. Variando el ancho de las partes del carrete que hacen sello contra el cuerpo de la válvula, se pueden tener conexiones entre los diferentes orificios de entrada y de salida. En la figura 71 se muestran algunos de los tipos de posiciones centrales o "centros" que se pueden obtener. Cuando en la posición central, P esta con T, entonces se requiere la presión piloto externa. Es-ta se puede obtener de diferentes formas, se puede colocar una válvula de retención de 75 PSI a la salida de la bomba y tomar la línea de presión piloto de un punto anterior a la válvula con lo cual se asegura que halla la presión suficiente.

Figura 70. Agujeros para presión piloto y drenaje

Centro abierto

P y B cerrados, A hacia T Centro abierto, todos los puertos parcial

B Cerrado, P y A hacia T P hacia T, A y B cerrados A Cerrado, P y B hacia T

Todos los puertos cerrados P cerrado, A y B hacia T P y A cerrado, B hacia T

Figura 71. Tipos de centro de válvulas de tres posiciones y 4 vías.

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Otra forma de obtener presión piloto es colocar una válvula de retención a la salida de la válvula y tomar la presión piloto internamente, ya que hay presión en toda la línea. En la figura 4.14 se muestran las dos posibilidades. Algunas válvulas traen incorporada una válvula de retención en

Figura 72. Diferentes tipos de centros y sus carretes correspondientes, según uno de los fabricantes.

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la línea de tanque. En la figura 73 están dibujadas las representaciones de una válvula pilotada de tres posiciones y una de dos posiciones. A la derecha se ven los dibujos completos de las dos y a la izquierda está la forma simplificada de representación en un plano, donde sólo se muestra la válvula pilo-tada, accionada eléctrica e hidráulicamente.

Se pueden encontrar otros tipos de válvulas direccionales o variaciones de estas mismas como válvulas de accionamiento mecánico que se usan para desacelerar un cilindro, válvulas de más de tres posiciones o válvulas con aditamentos para hacer que respondan más rápido o más lento. Igualmente existen válvulas direccionales diseñadas para ser usadas en equipos móviles tales como (grúas, tractores, excavadoras, volquetas, etc.) que en industriales. Dadas las limitaciones de espacio y peso en los equipos móviles, tienen incorporados controles de presión, con las co-nexiones para acoplar directamente al cuerpo de la válvula y a las que se pueden adicionar cuerpos que tienen una entrada y salida común y hacer direccionales múltiples como las de la figura 74. Se pueden lograr arreglos de válvulas que contienen casi todo lo necesario para un equipo hidráulico, pero en un paquete muy pequeño y liviano, aunque cuando se trata de en-contrar un problema puede ser mas dispendioso especialmente si no hay información de los componentes contenidos en dicha válvula.

CENTRO ABIERTO CENTRADA POR RESORTE POSICIONADA POR RESORTE

Presión del sistema Presión del sistema

Drenaje Del

piloto

Drenaje Del

piloto

Presión piloto Presión

piloto

Para crear la presión piloto

P T

B A

P T

B A

P T

B A

Figura 73. Representación de válvulas direccionales pilotadas accionadas eléctricamente.

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La configuración mas sencilla de válvula direccional de equipo móvil es como sigue: ♦ Cuerpo de entrada que incorpora la válvula de alivio y un limitador de caudal, con la co-

nexión de presión que viene de la bomba. Se pueden encontrar con válvulas de descarga eléctricas o neumáticas.

♦ Uno o mas cuerpos de trabajo que manejan cilindro o motor hidráulico. Generalmente de 3 posiciones con carrete centrado por resorte. En algunas aplicaciones puede haber 4 posiciones y además con actuadores hidráulicos o neumáticos para cambiar la posición del carrete. Algunas otras adiciones a este cuerpo son, válvulas de alivio en los puertos A y B, válvulas anti cavitacion y válvulas de contrabalance.

♦ Cuerpo de salida o retorno, generalmente no tiene válvulas pero adicional al retorno pue-de tener una conexión adicional conocida como “Power Beyond” que se usa para conectar otra válvula direccional que use la misma bomba.

Orificio para censar presión de carga Control de flujo de by pass

Cavidad de Presión

Retorno

Válvula de alivio y Limitador de flujo

Puertos al cilindro

Cavidad del retorno

Cavidad del by-pass

Afuera Centro

adentro

Presión

Cuerpo de entrada

Sellos “O”

Resorte de centrar

Porta switch

Cuerpo central

Carrete

Cuerpo de salida

Tensores

Figura 74. Válvula direccional de varios cuerpos usada en equipo móvil.

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Internamente, las válvulas direccionales de equipo móvil tienen 3 cavidades que se pasan de cuerpo a cuerpo: ♦ Presión. Conecta la entrada de presión a la conexión de presión de cada cuerpo de tra-

bajo, para que cada uno de ellos reciba presión de la bomba simultáneamente (conexión en paralelo) o consecutivamente (conexión en serie). En la primera todos los actuadores pueden trabajar al mismo tiempo. En el segundo, cada vez que se cambia la posición de un carrete, solo ese puede trabajar.

♦ Retorno. Conecta los retornos de cada cuerpo de trabajo al tanque, lo mismo que el retor-no de la válvula de alivio y el flujo que sobra si el cuerpo de entrada tiene limitador de flu-jo.

♦ By-Pass. Esta conexión es muy importante en las válvulas de equipo móvil, porque en un arreglo de muchos cuerpos de trabajo cuando no esta actuado ningún carrete, se quiere que la bomba envié el aceite al tanque sin levantar presión. Cada vez que se actúa un ca-rrete, se cierra esta cavidad para permitir que se suba la presión. Esta cavidad se conecta con el retorno en el cuerpo de salida en general, con la salvedad de que si se requiere ali-mentar otra válvula direccional, u otro sistema, se coloca un tapón interno para separar-los.

Figura 75. Esquema de una válvula direccional para mover 2 actuadores en un montacargas.

Hacia circuito auxiliar

Cilindro de inclinar

Cilindro de levante aire

Retorno

Válvula de alivio

Cavidad de presión

Cavidad de by-pass Cavidad

de retorno

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VALVULAS DE DIRECCIONALES PROPORCIONALES La válvula direccional proporcional es básicamente una direccional que controla el flujo en todas las vías controlando la posición del carrete. Las válvulas direccionales vistas hasta ahora son de dos, tres o más posiciones definidas. Las válvulas proporcionales tienen un número infinito de posiciones, desde la posición central hasta el extremo, permitiendo que el actuador (cilindro o motor) se mueva con cualquier velocidad desde cero hasta el máximo de la bomba. Son ac-tuadas por solenoide con configuración especial, y con un amplificador electrónico. Estas válvulas se han desarrollado en las ultimas dos décadas, con el fin de acortar la distancia que existía entre las servo válvulas y las válvulas direccionales convencionales. Como lo hacen las servo válvulas, las proporcionales dan una salida que es proporcional al voltaje suministrado a la entrada y no siendo tan precisas como las servo, realmente son una buena y poco costosa alternativa para muchos sistemas que requieren un control de la aceleración o desaceleración, o que requieren control remoto o programable con PLC o computador, o que son de cierta pre-cisión y se deben conectar en circuito cerrado. Existen tres tipos básicos de válvulas direccionales proporcionales . La primera es de acciona-miento directo y sin sensor de posición del spool o carrete. Es casi como una válvula direccional convencional de 1/4" o 3/8” pero la posición del spool depende del voltaje de entrada que pue-de ser de 12 o 24 voltios. DC máximo. El segundo tipo de válvula es el de acción directa con sensor de posición en el spool. Esta es de mayor precisión que la anterior. En la figura 76 se muestra un corte de una de estas válvu-las . El tercer tipo de válvula proporcional es la pilotada o de dos etapas con sensor de posición, que se usa cuando hay caudales de más de GPM. El sensor de posición sirve para mantener el carrete de la válvula en una posición casi exacta, de acuerdo con la señal de entrada.

Figura 76. Válvula direccional proporcional de acción directa con sensor de posición en el ca-rrete.

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Con la válvula proporcional se puede hacer que el actuador que está manejando se mueva en una dirección o en otra y, además, que se mueva a la velocidad que se desee en cada direc-ción o incluso a más de una velocidad en cada dirección. También se puede lograr que los cam-bios de velocidad sean muy suaves, haciendo que la respuesta no sea instantánea, ni brusca, sino que la respuesta en el momento del cambio sea una rampa, como se ve en una curva ca-racterística de respuesta como la de la figura 76A.

Figura 76A. Válvula direccional proporcional pilotada sin sensor y sus curvas características.

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Figura 77 Curva de respuesta característica de una válvula proporcional. Estas válvulas se manejan con amplificadores electrónicos especiales, que lo que hacen es su-ministrar a la válvula una señal de pulso de voltaje cuya amplitud es modulada con el fin de ob-tener en la bobina de la válvula una corriente que es proporcional al voltaje de entrada en el amplificador. En los amplificadores se pueden graduar las inclinaciones de las rampas, tanto de aceleración como de desaceleración, así como la ganancia y la zona muerta que hay en el centro de la válvula. Estas características permiten hacer sistemas que se mueven más rápidamente y con mayor precisión. Para saber que tan rápido se puede acelerar o desacelerar el sistema debe encontrar su frecuencia natural mínima considerando la elasticidad o compresibilidad del aceite y tomando como tiempo mínimo de aceleración de 4 a 6 veces el período correspondiente a esa frecuen-cia. En otras palabras, si se acelera muy rápido la carga va a vibrar o golpear (brusquedad). Cuando se acelera despacio se sobrepasa este punto y lo que se consigue es que la carga no vibre o golpee.

Figura 77. Válvulas direccionales proporcionales, Válvula y amplificador.

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CONTROLES DE PRESION Las válvulas de control de presión tienen diferentes funciones dentro de un sistema. Sirven para limitar la presión máxima, es decir, como válvulas de seguridad o para reducir la presión en de-terminados puntos del sistema, para generar una caída de presión en algún otro punto del mis-mo o para descargar parte del aceite al tanque cuando el sistema sobrepasa una determinada presión. Para lograr estas diversas funciones se usan distintos tipos de controles. Los controles de presión son básicamente válvulas de una vía y dos posiciones, accionadas hidráulicamente y posicionadas por resorte. Su representación esquemática es un cuadrado con una flecha que lo cruza y un resorte en la parte superior con otra flecha indicando que es regu-lable. Si la flecha del cuadrado está en la mitad de éste, uniendo la entrada y la salida, quiere decir que la válvula es normalmente abierta y si está un poco más abajo, entonces la válvula es normalmente cerrada (Fig. 78).

Tipos de controles hidráulicos: Válvulas de alivio. Válvulas de secuencia. Válvulas de descarga. Válvulas de contrabalance o “holding valve”. Válvulas de Alivio-Descarga. Válvulas proporcionales de presión.

ENTRADA O PRIMARIO

SALIDA O SECUNDARIO

RESORTE PARA GRADUACION

PRESION PILOTO

DRENAJE

Figura 78. Representación general de una válvula de control de presión.

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VALVULAS DE ALIVIO Las válvulas de alivio o de seguridad limitan la presión máxima del sistema. Hay de dos tipos, la sencilla o de acción directa (Fig. 79) que es parecida a una válvula de retención pero con re-gulación de la fuerza del resorte. Cuando la presión sobre el pistón vence la fuerza ajustada en el resorte, la válvula se empieza a abrir y permite paso de aceite de la entrada a la salida. Para que haya más paso de aceite, la presión debe ser mayor, ya que el resorte se ha comprimido inicialmente. Esto hace que cuando el sistema llegue a la presión máxima, Haya una sobrecarga de entre el 10-15%, generando una pérdida adicional que en algunos ca-sos puede ser apreciable. Figura 79 Válvula de alivio de acción sencilla. En la válvula doble acción o de "pistón balanceado" (Fig. 80), se tienen dos cámaras separa-das por un pistón que tiene un pequeño orificio a través del cual l pasa muy poco aceite. Inicial-mente las dos cámaras están a la misma presión, cuando se vence la fuerza del resorte de la válvula de acción simple que se encuentra en la parte superior, algo de aceite de la cámara de arriba se va hacia el tanque a través del orificio interno del pistón, bajándose la presión de esta cámara y "desbalanceando" el pistón, que por diferencia de presión se desplaza dando paso directo del aceite de la entrada hacia la salida. El resorte que hay en el pistón hace que se ne-cesite una diferencia de presión de 20PSI aproximadamente. Además, la diferencia de presión desde el momento de entrada que se abre hasta cuando está pasando todo el caudal es mucho menor que en la válvula de acción simple por la cual se usan las de acción dobla para caudales mayores. Las de simple acción son de una 1/4"y máximo para 5 GPM. Las dobles son de 3/4" para 60 GPM, 1 1/4"para 125 GPM y 2" para 200 GPM.

Perilla de ajuste

Resorte

Pistón o dardo

Presión Retorno

Tornillo

83838383

Gracias a su diseño, es posible conectarle una válvula de acción simple a la cámara superior para poderla comandar a distancia, siempre y cuando la presión de la válvula remota sea menor que la de la que se va a controlar (Fig. 81). Igualmente se puede "ventear" la válvula conectán-dole a esta cámara una válvula direccional (fig. 81) que en una posición le conecte al tanque con lo cual el aceite del sistema pasaría a través de la válvula de alivio, hacia el tanque con una presión menor a los 20 PSI del resorte del pistón. Además, esto da la posibilidad de tener dos presiones diferentes y el venteo con la misma vál-vula, ya que la direccional para el venteo puede ser de tres posiciones: La central para el ven-teo, una extrema cerrando el paso, con lo cual el sistema queda con la presión de la válvula y la otra posición conectada a otra válvula de alivio con otra presión diferente.

Dardo

Conexión De venteo

Resorte fuerte Tornillo de ajuste

Resorte suave

Orificio Pistón balanceado

Presión de sistema

Tanque

Dardo

Orificio

Figura 80. Válvula de alivio pilotada o de pistón balanceado

Figura 81. Conexión de una válvula para control remoto. Conexión de venteo eléctrico con vál-vula direccional.

Tanque

P P

T T

P P

P

T

84848484

VALVULAS DE SECUENCIA Existe un tipo de válvula que ofrece diferentes posibilidades de acuerdo a la forma como este armada. Es una válvula de dos posiciones y una vía, controlada por presión y con retorno por resorte, normalmente cerrada. Consta de un cuerpo (Fig. 82) dentro del cual va el carrete y dos tapas, una de las cuales la superior, tiene un tornillo de graduación del resorte. Según la colocación de las tapas en el l cuerpo, la presión piloto y el dreno pueden ser internos o exter-nos.

Las válvulas de secuencia (Fig. 83) son controles de presión que dan paso al aceite desde la entrada o puerto primario, a la salida o puerto secundario, después que éste llega a una presión determinada en el primario por el ajuste del resorte. Son controles normalmente cerrados, accionados por presión piloto que puede ser tomada a la entrada de la válvula y por tanta sería de presión piloto interna, o puede operarse a distancia y entonces sería de presión piloto externa, y deben tener un drenaje externo, ya que el secunda-rio también va a haber presión y para que no interfiera con el funcionamiento de la válvula, el aceite de las fugas se debe dejar salir al tanque a través del drenaje. Esta válvula se usa generalmente con dos cilindros hidráulicos cuando es necesario asegurar que haya movimiento en uno de ellos antes que el otro. Logrando el movimiento de los dos en ‘Secuencia’ . Por ejemplo se usa cuando se requiere aprisionar una pieza y luego hacerle algún trabajo con el mismo sistema utilizando 2 cilindros. Como vemos en la Fig. 84 queremos que el

Tipo 1 Tipo 2 Tipo 3 Tipo 4

Alineado con el

agujero del cuerpo

Alineado con el

agujero del cuerpo

Drenaje tapado

Drenaje tapado

Conexión de Drenaje externo

Puerto de control piloto

cerrado

Alineado con el

agujero del cuerpo

Desalineado con el agujero del cuerpo

Desalinea-do con el agujero

del cuerpo

Conexión piloto

externa

Figura 82. Control de presión, tipo general. Puede tener presión piloto interna o externa, al igual que la conexión de drenaje.

85858585

cilindro sujetador se mueva primero para sujetar la pieza. Luego de esto, sin que este pierda la fuerza que esta ejerciendo queremos que el segundo cilindro (perforador), realice esa opera-ción. Cuando se energiza la bobina 1 de la válvula direccional el aceite de la bomba se comuni-ca con la salida A quedando este flujo con dos posibilidades, o abre la válvula de secuencia o se va directo al cilindro sujetador. Queda claro que si queremos esta ultima opción, deberemos ajustar la válvula de secuencia a un valor de presión mayor del necesario para mover el cilindro sujetador.

Tornillo de ajuste

Resorte

carrete

Pistón Piloto

Figura 83. Válvula de secuencia. Circuito perforador con sujetador.

Cilindro perforador

Cilindro sujetador

1

2

P

T

A

B

Paso 2

Paso 1

86868686

VALVULAS DE CONTRABALANCE Las válvulas de contrabalance son controles de presión normalmente cerrados, con presión pi-loto interna y dreno interno (como una válvula de alivio), pero con una válvula de retención que permite el paso en el sentido contrario a la válvula. Estas válvulas se usan para mantener el control cuando se tiene un cilindro vertical que tiende a caerse por la acción de la gravedad. En este caso, se genera una contrapresión en la cámara inferior del cilindro para que éste baje controlado. Esta contra presión se logra colocando la vál-vula entre la salida del cilindro y la válvula direccional que controla su movimiento (Fig. 84) La contrapresión generada debe ser apenas suficiente para que el cilindro baje controlado, en el momento en el que el aceite llegue a la cámara superior del cilindro. En la fig.84 vemos del lado izquierdo que la presión de la bomba empuja el cilin-dro hacia abajo y que la válvula de contrabalance se abre generando una contrapresion que sostiene la carga del ci-lindro al bajar. La presión que necesita la bomba para ba-jar el cilindro es apenas lo necesario para mover el aceite, puesto que el trabajo de bajar lo esta realizando básica-mente, la gravedad. Para subir, la presión necesaria será la del peso. Para el retorno del cilindro, el aceite pasa a través de la válvula de retención y aunque en ese momento haya pre-sión en la salida de la válvula de contrabalance y, por tan-to, en el dreno, ya no tiene importancia puesto que el

8000 lbs

750 psi

750 psi

Figura 84. Válvula de contrabalance y circuito de aplicación.

8000 lbs

750 psi

100 psi

Check

Resorte

Carrete

87878787

aceite no está pasando por el carrete de la válvula, que es el que se encontraría inmovilizado por la presión . La válvula de contra balance también se usa con los motores hidráulicos, para controlar el fre-nado sin que se presente un exceso de presión a la salida del motor o que siga moviéndose por la inercia de la carga. Para esto se usa una combinación de presión piloto interna y externa. La externa se conecta di-rectamente a la parte inferior del carrete de la válvula. (Fig., .85) y no al pistón pequeño que se encuentra en tapa inferior de la misma. Esto hace que la presión externa deba ser menor que la interna (unas siete u ocho veces) para abrir la válvula. La línea de presión piloto externa se conecta a la línea de entrada del motor, de tal forma que mientras haya presión para moverlo, no existe restricción a la salida. Pero en cuanto deje de haber presión a la entrada entonces se genere una contrapresion a la salida que tienda a parar el motor rápidamente, pero sin que se presente un exceso de presión. Nótese que esta válvula tiene dos pilotos, el primero que es el interno actúa sobre el pistón pequeño como en las válvu-las anteriores, pero el segundo actúa sobre la parte inferior del pistón principal que tiene una

sección transversal mas grande y por lo tanto, se requiere menos presión para abrirla. Esto es lo que los fabricantes lla-man relación de área entre el área del pis-tón pequeño y el área del pistón principal. Generalmente 1 a 4. En las graficas de la izquierda vemos como se comporta el sistema, cuando el motor

trabaja con carga, la presión de la carga mantiene abierta la válvula utilizando el piloto externo. Cuando se desea parar, que se centra la válvula direccional el motor no va a responder inme-diatamente . La presión de la carga desaparece y la válvula de contrabalance se cierra restrin-giendo el paso al aceite que viene del motor, generándose una contra presión en la salida del motor que lo va a obligar a parar, pudiéndose ajustar este valor con el tornillo de regulación.En este momento solo hay presión piloto interna.

Figura 85. Válvula de contrabalance en un motor hidráulico.

Presión piloto externa

Presión piloto interna

88888888

VALVULAS DE DESCARGA Las válvulas de descarga son controles de presión normalmente cerrados, con presión piloto externa y dreno interno que se utilizan cuando se necesita que una línea del sistema quede co-municada al tanque cuando la presión en otra parte del sistema sobrepasa un determinado va-lor. Su uso más frecuente es en los llamados sistemas de alta y baja. En un sistema de alta y baja se toma inicialmente el caudal de dos bombas o de una bomba do-ble y se envía hacia el sistema, pero cuando la presión pasa la regulación de la válvula de des-carga una de las bombas queda conectada al tanque a través de ella y la otra bomba sigue en-viando aceite haciendo que la presión siga subiendo hasta la regulación de la válvula de alivio. El sistema de alta y baja es muy usado en maquinaria que requiera un avance rápido de un ci-lindro a baja presión, y un trabajo a alta presión que no requiera un gran caudal. Aplicaciones

Figura 86. Circuito con válvula de descarga. Circuito de alta y baja.

89898989

típicas, vemos en las maquinas de vulcanizado, donde se fabrican suelas de zapato por ejem-plo. El cilindro avanza rápido por el caudal de las dos bombas sumado y cuando el cilindro cie-rra los moldes la presión sube y cuando llega a 300 psi la válvula de descarga se abre enviando el caudal de bomba grande al tanque y el cilindro termina de cerrar hasta la máxima presión de 3000 psi. La forma como se debe conectar este sistema se muestra en la figura 86 y el funcionamiento detallado de la válvula de descarga esta en la figura 87

Este sistema se usa cuando se requiere tener un caudal inicial alto, es decir, una velocidad ini-cial o de aproximación alta y luego una velocidad de trabajo lenta o simplemente una fuerza al final del recorrido, como en el caso de una prensa de vulcanizado de caucho. Un sistema de alta y baja permite tener un caudal alto y una presión alta con un consumo de potencia bajo ya que el caudal alto es a baja presión, y la presión alta es a bajo caudal. Este tipo de válvula, con todas estas posibilidades, comercialmente se encuentra en 3/8",3/4", 1 1/4" y 2”,más o menos con las mismas capacidades que tienen las válvulas de alivio.

Figura 87. Funcionamiento de una válvula de descarga.

Tornillo de ajuste

Resorte

Carrete

Pistón piloto

Puerto de presión

Puerto de retorno

Presión suficiente para vencer el resorte

Drenaje interno

Puerto de presión piloto externa

90909090

VALVULAS REDUCTORAS DE PRESION. Las válvulas reductoras (Fig. 88) son controles de presión normalmente abiertos, accionados por presión piloto interna, pero a la salida y con dreno externo. Como lo indica su nombre, estas válvulas se usan para reducir la presión del sistema o alguna parte de él, en el que se requiera trabajar con una presión menor que la general o en el que se requiera un control independiente de la presión siempre y cuando sea menor que la presión general. Cuando la presión a la salida o en el puerto secundario de la válvula llega al valor de taraje, se cierra el paso de aceite con lo cual la presión en el secundario no puede seguir aumentando y de esa forma, con el ajuste del resorte se limita la presión. También hay reductoras con válvulas de retención en el retorno, es decir, para que pueda haber paso del secundario hacia el primario o de reversa, cuando la presión en el primero es mayor que en el segundo. Esta válvula también se encuentra en los mismos tamaños que las anteriores válvulas y con las mismas capacidades en cuanto a caudal.

Mirando la válvula de la Fig. 88 podemos ver que cuando fluye aceite de la entrada a la salida, no hay ninguna restricción porque la presión a la salida esta baja, pero cuando esta sube y al-canza el valor de ajuste del resorte piloto, la presión piloto interna abre el carrete piloto dejando pasar aceite hacia el tanque a través del drenaje generando un desbalance entre los extremos del carrete principal que hace que el carrete suba restringiendo el paso al aceite del primario al secundario, sin impedir que siga pasando el mismo caudal pero limitando la presión en el puerto secundario sin importar que presión haya en el puerto primario.

Figura 88. Válvula reductora de presión.

Primario o entrada de presión Secundario

o salida de presión

C a r r e t e principal

C a r r e t e piloto

Tornillo de ajuste de presión

Resorte

D r e n a j e externo

Linea piloto interna

91919191

VALVULAS DE ALIVIO-DESCARGA Estas válvulas de alivio especiales, son usadas principalmente en los sistemas en los que se tiene uno o varios acumuladores. En ésta válvula la presión piloto esta tomada despues de la válvula de retención que va en la salida de ella hacia el sistema y que tiene por objeto separar la válvula de alivio los demás componentes. En la figura 89 se muestra como trabaja esta válvula. Cuando la presión despues del check lle-ga al valor de taraje la válvula se abre permitiendo que la bomba se quede trabajando en vacío mientras el resto del sistema sigue presurizado. Cuando la presión después del check se bajo la válvula se vuelve a cerrar. En la figura se muestra como se produce la apertura de la válvula piloto porque la presión pro-veniente del sistema actúa sobre el pistón pequeño, el cual empuja a su vez el cono de la válvu-la piloto. El pequeño pistón tiene un área transversal de un 15% mayor que la del cono en su asiento. Cuando la presión en el acumulador cae hasta el 85% del valor máximo, el cono de la válvula piloto se cierra y la bomba carga el acumulador de nuevo.

Esta válvula, al igual que las de alivio de dos etapas tiene asiento cónico en el pistón y por lo tanto no tiene fugas, lo que hace que su velocidad de respuesta y precisión sea mejor que la de descarga como la que se vio anteriormente.

Al sistema hidráulico

Acumulador

Válvula de alivio-Descarga

Al tanque

Conexión de venteo

Drenaje externo

Flujo de La bomba

Conexión de presión

Conexión de retorno

Conexión de acumulador

Carrete principal

Pistón piloto diferencial Pistón piloto alivio

Check para acumulador

Figura 89. Válvula de alivio descarga. Aplicación y corte.

92929292

VALVULAS PROPORCIONALES DE PRESION Las válvulas proporcionales de presión son válvulas que regulan la presión del sistema en for-ma proporcional al voltaje de entrada. Ellas tienen un amplificador con el cual son manejadas. El amplificador recibe señales de 0 a 10 voltios DC y dependiendo del rango de presión la vál-vula entrega presión de 100 psi hasta 3.000 o 5.000 psi en forma proporcional. Generalmente éstas válvulas por su tamaño son solo para pilotar otras más grandes o bombas compensadas que tengan control remoto de presión. Con ellas se pueden programar diferentes presiones en un ciclo de un sistema y se pueden tener infinitos valores de presión con una so-la válvula.

Como vemos en la grafica, la válvula proporcional de presión es como una válvula de alivio pero sin el resorte y el tornillo para ajustar el valor, envés tenemos un solenoide que de acuerdo a la corriente eléctrica que recibe ejerce una fuerza sobre el dardo opuesta a la entrada de aceite, generando una presión proporcional a la corriente con la que el amplificador alimenta el solenoi-de. A su vez, el amplificador recibe señal externa de muy baja potencia, generalmente de 12 voltios DC y menos de 10 miliamperios.

Conector eléctrico

Amplificador electrónico incorporado

Solenoide proporcional

Retorno al tanque

Entrada de presión

Dardo o pistón

Asiento de pistón Símbolo

93939393

CONTROLES DE CAUDAL Los controles de caudal o de cantidad de flujo, se usan para regular generalmente la velocidad de los actuadores como cilindros y motores hidráulicos, pero en algunas ocasiones se usan pa-ra controlar la velocidad de apertura de otras válvulas de control como direccionales, check pilo-tados etc. Esta regulación se logra por la restricción que se le hace al paso del aceite dentro de la válvula, así que si ella tiene tornillo de regulación, la velocidad del actuador puede ir desde 0 hasta un máximo, que es cuando pasa todo el caudal de la bomba. ¿Qué ocurre con el aceite que no puede pasar por el control? .Este debe irse al tanque a través de alguna válvula o la bomba debe dejar de enviar todo el aceite que esta mandando. El control de flujo no puede actuar solo, el funciona con la válvula de alivio del sistema o con el compen-sador de la bomba. Para que el control de flujo pueda controlar el flujo la presión antes del mis-mo debe estar en el máximo (regulación de la válvula de alivio) de tal forma que el control de flujo deje pasar el flujo deseado y lo que sobra se vaya al tanque a través de la válvula de alivio. Cuando un fluido pasa por un orificio, se genera una caída de presión debida a las pérdidas por fricción por el cambio de área. Esta caída de presión es proporcional al cuadrado del caudal que pasa por el orificio. En el caso del aceite, el caudal que cruza por el orificio cuya área transver-sal es igual a A (en In2), se puede hallar con la siguiente expresión:

Donde P es la caída de presión entre la entrada y salida del orificio. Existen tres formas básicas de utilizar el control de flujo según su colocación en el circuito. La primera, controlando el flujo a la entrada del actuador (meter-in), la segunda, controlando el flujo a la salida del actuador (meter-out) y la tercera, controlando el flujo de en-trada al actuador en derivación o en “sangría”. Si el control del cau-dal se coloca antes del actuador (Fig. 90), la caída de presión hace que hasta antes del control la pre-sión sea suficiente para abrir en parte la válvula de alivio a través de la cual sale parte del caudal que sobra. Este tipo de control se usa cuando la carga ofrece resis-tencia al movimiento del actuador durante todo el recorrido, como en el caso de levantar una carga o empujarla horizontalmente o en el caso de un motor, cuando hay una fricción constante.

Q (GPM = 24.12 x A x P (psi)

Figura 90. Control de flujo a la entrada o “meter-in”

MOTOR 10 GPM

10 in2

Control de flujo

Presión máxima

Válvula de alivio

Presión de carga

Actuador

Flujo sobrante

Flujo controlado

94949494

En el segundo caso, al colocar la válvu-la despues del actuador (meter-out) (fig.91). Se genera una presión a la salida del actuador que produce un aumento de la presión a la entrada, hasta el punto que la parte sobrante del caudal sale por la válvula de alivio. Este tipo de control se usa sobre todo cuando se tiene un cilin-dro vertical y se tiene que bajar, o cuando la carga en el motor tiene una alta inercia. Si el control en alguno de estos dos ca-sos, se coloca antes de la válvula direc-cional, éste solo controla la velocidad en ambas direcciones. Si se desea con-trol de caudal independiente en los dos sentidos, se deben colocar dos contro-les, cada uno con una válvula de reten-ción que permita el flujo libre en la direc-ción contraria a la del caudal controlado. La última forma de controlar la velocidad es colocando el control en derivación al tanque antes del actuador (Fig. 92). La caída de la presión a través del con-trol debe ser aproximadamente igual a la presión que se necesita para mover la carga. La ventaja de este tipo de control es que el valor de la presión del sistema es solamente la que se requie-re para hacer el trabajo, lo cual implica menos perdidas de potencia, con la desventaja de que la graduación es más sensible. Existen tres tipos diferentes de contro-les de caudal básicos. Los no compen-sados, los compensados, y los de con-trol proporcional. Su representación esquemática se pue-de apreciar en la parte izquierda supe-rior de la figura 93. Las líneas curvas re presentan la restricción, que con la fle-cha indica que es variable y el check in-dica que hay flujo libre en una dirección.

MOTOR 10 GPM

10 in2

Figura 92. Control de flujo en sangría.

Control de flujo

Presión de carga

Válvula de alivio

Presión de carga

Actuador

Flujo sobrante

Flujo controlado

MOTOR 10 GPM

10 in2

Figura 91. Control de flujo a la salida o “meter-out”

Control de flujo

Presión máxima

Válvula de alivio Contra presión

Flujo sobrante

Flujo controlado

95959595

CONTROLES NO COMPENSADOS O SIMPLES Estos son básicamente restricciones graduables en una dirección y válvulas de retención para flujo libre en la otra dirección (Fig. 93). Estos se usan cuando la presión de la carga es relativamente constante y la presión no es muy critica o no es importante que haya variaciones en la velocidad del actuador. Se encuentran en muy variados tamaños desde 1/4" hasta 2”, también tiene formas muy diver-sas, por ejemplo con conexiones NPT, rosca recta, en línea o a 90 grados etc.

Anillo “O”

Para fricción Abierto

Cerrado

Figura 93. Controles de caudal no compensado.

96969696

CONTROLES DE CAUDAL COMPENSADOS Los controles de flujo compensados son los que regulan el flujo y simultáneamente ajustan los cambios de presión que se presenten en la entrada y en la salida para mantener el flujo cons-tante. Existen dos tipos de compensaciones. Por temperatura, y por presión. Los controles compensa-dos por temperatura tienen un elemento sensible al calor que hace que cuando la temperatura del aceite sube, el orificio interno del control se cierra para mantener el flujo en el mismo valor. El compensador de presión es una válvula reguladora de presión que está incorporada dentro del control de flujo, la cual compara la presión a la entrada, con la salida y mantiene la diferen-cia entre las dos en 20 PSI aproximadamente. Esto lo logra con el pistón interno. En la figura 94 se puede observar el funcionamiento de un control que tiene compensador de presión y de temperatura.

El pistón tiene una conexión en sus extremos y la salida de la válvula, cuyas presiones ejercen fuerzas en direcciones opuestas y que con la ayuda de un resorte hacen que el pistón esté en equilibrio, hasta que una de las presiones cambia y entonces el pistón se desplaza aumentando o disminuyendo la restricción del paso de aceite. Si la presión a la salida aumenta (la carga sube), la velocidad del actuador tiende a bajarse, ese aumento en la presión hace que el pistón se mueva y el paso de aceite aumente compensando así la disminución en la velocidad. Si la carga disminuye sucede exactamente lo contrario. Cuando se tiene un control de caudal, de cualquier tipo y se quiere que tenga compensación de presión, se le puede agregar la válvula externamente, la cual recibe el nombre de hidróstato.

Flujo de entrada Flujo controlado

Check de retorno

Elemento sensible a la temperatura

Pistón compensador

Presión de salida

Presión antes del restrictor

Restrictor

Tornillo de regulación

Restrictor para compensar presión

Figura 94. Control de caudal compensado por temperatura y presión

97979797

CONTROL DE CAUDAL PROPORCIONAL El control de caudal proporcional es básicamente una válvula proporcional direccional, pero de dos posiciones. La válvula permite el paso de flujo controlándolo desde 0 hasta el máximo en forma proporcional a la señal de control de entrada. (figura 95).

Hay dos formas de conectar una proporcional de caudal, en paso sencillo o doble (figura 96). En el sencillo se usa una sola de las vías, es decir, conectando la presión a P y la salida conectada A y no se usan las otras conexiones (A con T).En el doble paso se conectan P y T con la pre-sión y A y B con la salida controlada con el fin de poder manejar el doble caudal con la misma válvula.

Carrete con muescas para lograr variar el flujo en forma propor-cional

Solenoide proporcional

Figura 95. Control de caudal proporcional.

Figura 96. Diferentes conexiones para una válvula proporcional.

98989898

Las Características de estas válvulas son las mismas que las otras proporcionales que se han mencionado. Se pueden tener respuestas en rampa, valores infinitos de control, programación, conexión en lazo cerrado, etc. Se pueden usar hidróstatos que comparan la presión de la entrada y la salida con el fin de com-pensar los cambios del caudal debido a cambios en la carga. También se pueden usar con las proporcionales direccionales. Además hay proporcionales del caudal más parecidas a los controles de caudal compensados, pero que en lugar de ser graduados manualmente cuentan con un motor de torque que permite hacer los ajustes por medio de una señal eléctrica. Existe un tipo de válvula proporcional de caudal muy popular por su bajo precio y versatilidad, es la llamada de “cartucho”. Recibe su nombre porque es muy compacta y porque se puede en-roscar en el manifold o bloque de montaje. También necesita un amplificador para alcanzar toda su capacidad.

Figura 97. Control de caudal proporcional tipo cartucho enroscable en manifold.

Entrada

Salida Muescas de control

Carrete

Pin empujador

Solenoide proporcional

Rosca para el manifold

99999999

Preguntas 1 ¿Cuáles son las diversas formas en que se puede accionar una válvula proporcional? 2 En un sistema hidráulico que determina la presión en la lí-nea? 3 Nombre y explique el funcionamiento de cuatro válvulas de control de presión. 4 En el circuito mostrado, cuanta presión hay en el punto A, si el caudal es de 7 GPM y el área del orificio es de 0.01 in2? 5 Explique dos formas diferentes de controlar la velocidad de un actuador hidráulico. Ejercicios 1 En una prensa de vulcanizado se necesita una fuerza de 100 toneladas. La fuerza debe man-tenerse durante varios minutos y la prensa puede bajar por gravedad. La presión no debe exce-der los 3000 PSI. Las velocidades de aproximación y de trabajo deben ser tan altas como sea posible, sin que el consumo de energía eléctrica supere los 18 KW. Una prensa pequeña de embutido tiene las siguientes características: Fuerza de embutido =40 toneladas Fuerza de retroceso =8.5 toneladas Velocidad de aproximación =100 Mm./s Velocidad de trabajo =26 Mm./s Velocidad de retorno =150 Mm./s Estime un valor de la presión cercano a la 3000 PSI y halle los diámetros de presión y del vásta-go, el caudal necesario en cada caso y la potencia máxima utilizada por el sistema. Diseñe el sistema utilizando un sistema de alta y de baja. 3 Una prensa requiere un actuador con una fuerza de 5 toneladas para sujetar las piezas. Una vez se logra esto, actúa un cilindro de simple efecto que prensa las piezas con una fuerza de 30 toneladas y baja por gravedad. Diseñe el sistema hidráulico dado que la presión del mismo no debe alcanzar los 3000 PSI y la potencia del motor disponible es de 9 HP. 4 Una prensa de curvado ejerce una fuerza de 100 Mp. La velocidad del pistón debe poderse regular desde 20 hasta 30 Mm./s. Pero la presión del sistema no debe exceder 3500 PSI. Diseñe el sistema. 5 Se desea tener una prensa de 50 toneladas con una velocidad de trabajo cercana a los 10 Mm./s y una velocidad de aproximación superior a los 50 Mm./s. La prensa baja por la gravedad y la presión del sistema no debe ser superior a 2500 PSI. Diseñe el sistema.

A

5 Ton

100100100100

CIRCUITOS TIPICOS. El circuito hidráulico de una máquina es la interconexión de los diferentes elementos hidráulicos que le permiten a ella cumplir con las funciones diseñadas. Aunque en cada caso se requiere un análisis concreto de la forma como deben emplearse los diferentes elementos descritos, existen algunos circuitos que son comunes a muchos sistemas. En este capitulo se van a describir algunos de estos y se mostrarán ejemplos de algunas aplica-ciones reales. CIRCUITO SIMPLE PARA UN ACTUADOR

En la figura 98 se muestra un circuito típico de un sistema que se usa para mover un cilindro (o un motor) hacia delante y hacia atrás. Con una velocidad máxima dada por el caudal de la bomba, el cual se determinó por las necesidades del trabajo a realizar. Esta velocidad se puede disminuir con controles de caudal. Este es el mismo circuito básico vis-to en el capitulo 1. Nótese que se adicionan algunos accesorios importantes, como los filtros de

Figura 98. Circuito hidráulico simple. Movimiento de cilindro hidráulico.

101101101101

succión, de retorno y el de aire que va en el tanque. También se adicionó el control de pre-sión y el manómetro para poder graduar la presión. En la siguiente grafica podemos ver el recorri-do que hace el fluido hidráulico por todo el cir-cuito. Primero, en verde el aceite siendo succionado por la bomba, impulsado a través de la des-carga hacia la válvula direccional y simultá-neamente o en paralelo, hacia la entrada de presión de la válvula de alivio que va a limitar la presión máxima del sistema, en rojo. Al energizar la bobina del lado izquierdo de la válvula direccional se abren los pasos de P hacia A y B hacia T, permitiendo que el aceite se dirija a la cámara de la izquierda del cilin-dro hidráulico para que este empiece a salir, en color rojo. El aceite que va siendo descargado en la sali-da del vástago hacia la derecha pasa por el pasaje B-T de la válvula direccional y se dirige al tanque sin ninguna restricción excepto en el paso a través del filtro de retorno. Todo este recorrido se pinta en azul para indi-car flujo sin presión. Cabe anotar que si la presión necesaria por la carga alcanza el valor ajustado en la válvula de alivio, el aceite se empieza a desviar al tanque a través de la vál-vula de alivio y por consiguiente, el cilindro se va a detener por sobrecarga, puesto que se alcanzo el limite de presión. En la figura de abajo, podemos ver como se logra invertir el movimiento del cilindro cuando energizamos la bobina de la derecha de la válvula direccional. Todas las condiciones y limitaciones son idénticas a las de la grafica superior con la única diferencia que el cilindro va en sentido contrario.

TANQUE DE 100 LITROS

MOTOR ELECTRICO

4.8 H.P.

1800 RPM

Figura 99. Extensión del cilindro.

Figura 100. Retracción del cilindro hidráulico.

102102102102

SISTEMA DE "ALTA Y BAJA" Otro circuito, uno de los más usados es el sistema de alta y baja (Fig. 101) del cual ya se ha hablado. Dos bombas, una de alto caudal (3 o 4 veces el caudal de la otra) y la otra de bajo caudal, están separadas por una válvula de retención. La de bajo caudal esta conectada en una válvula de descarga, cuya presión piloto se toma de la línea que sale de la otra bomba que tiene una válvula de alivio. Inicialmente el caudal de las dos bombas va hacia el sistema y cuando la presión llega al valor del taraje de la válvula de descarga, la bomba de alto caudal queda conectada al tanque, mien-tras que la otra sigue enviando aceite al sistema haciendo que la presión siga subiendo y que pueda llegar al máximo dado por el taraje de la válvula de alivio. La velocidad inicial será la dada por la suma del caudal de las dos bombas y la de trabajo la da-da por el caudal de la bomba pequeña. Como dijimos anteriormente, este sistema fue creado para ahorrar potencia o para aumentar la velocidad de un sistema ya existente. Se puede aplicar en los casos en que el cilindro en la ca-

rrera de avance la mayor parte del recorrido la carga es mínima o muy baja debido a que se es-tán acercando las caras de un molde, por ejemplo. Como sabemos la potencia es el producto de la presión y el caudal x una constante, si la presión es baja (en el avance o retroceso) el cau-dal puede ser alto. Pero, cuando se desea que el cilindro realice toda la fuerza a la máxima pre-sión, entonces nos sobra flujo.

V = Q

Aefectivaefectivaefectivaefectiva

TANQUE DE 100 LITROS

MOTOR ELECTRICO

4.8 H.P.

1800 RPM

Figura 101. Circuito de un sistema de alta y baja.

103103103103

Con las 3 figuras de esta pagina vamos a expli-car lo que le sucede a este sistema. Fig. 102. En la Fig. 102A tenemos el avance rápido. La presión necesaria para el avance es <400 psi, la válvula de descarga esta cerrada, entonces el caudal de las 2 bombas se une a la entrada de la válvula direccional para dar un avance rápido, 15 GPM. En la figura 102B tenemos el avance lento. El ci-lindro esta haciendo cerca de la máxima fuerza, la presión es de 2.000 psi. La válvula de descar-ga esta abierta y por consiguiente el caudal de la bomba grande (12 GPM) se esta yendo al tanque sin presión. El caudal de la bomba pequeña es la que esta empujando el cilindro (3 GPM). Finalmente, en la figura 102C tenemos el retroce-so del cilindro en el que seguramente la presión necesaria debe ser <400 psi. Con lo cual tene-mos retroceso rápido también.

TANQUE DE 100 LITROS

MOTOR ELECTRICO

4.8 H.P.

1800 RPM

TANQUE DE 100 LITROS

MOTOR ELECTRICO

4.8 H.P.

1800 RPM12 3

2.200 psi

400 psi

1 2

P T

A B

Figura 102. Sistema de alta y baja.

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CIRCUITO REGENERATIVO. Algunas veces se usa un circuito que sirve para aumentar la velocidad de aproximación de un cilindro, utilizando el flujo que sale por la cámara del vástago del cilindro cuando éste se despla-za hacia afuera. Para ello, se unen las dos conexiones o salidas del cilindro entre sí (Fig. 3.5). Al hacer esto, habrá igual presión en las dos cámaras, pero como el área en la cámara del vás-tago es menor que en el área de la otra cámara, al restarse las dos fuerzas, la fuerza resultante estará en la dirección del vástago y el área efectiva del cilindro ahora será equivalente al área del vástago únicamente (que es la diferencia entre las áreas efectivas de cada cámara).

Para encontrar el área efectiva en este cilindro se puede calcular la velocidad que se tendrá en el mismo cuando le llega un caudal determinado."Q" Esta velocidad será: Donde el área efectiva es el área del vástago. Aefectiva =Apistón - Aanular y el área del pistón menos el área anular es igual al área del vástago. Este se conoce como circuito regenerativo, ya que el aceite que sale del cilindro se regresa al

TANQUE DE 100 LITROS

MOTOR ELECTRICO

4.8 H.P.

1800 RPM

Figura 103. Circuito regenerativo.

V= Q

A efectiva

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sistema para usarlo como un caudal extra que permite aumentar la velocidad del cilindro salien-do, aunque la fuerza efectiva se disminuye. Es usado cuando la fuerza del cilindro saliendo no es muy alta y se puede sacrificar el área para ganar velocidad.

TANQUE DE 100 LITROS

MOTOR ELECTRICO

4.8 H.P.

1800 RPM

Figura 104.Circuito regenerativo. Funcionamiento.

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CIRCUITO CON VARIAS DIRECCIONALES Cuando se requieren dos o más actuadores, se usa una direccional para cada uno, y si son de tres posiciones, la central debe tener P cerrado para que no se pierda la presión. En este caso se debe usar un sistema de “venteo como el mostrado anteriormente o en algunos de los ejem-plos que se encuentran mas adelante. Este sistema de venteo puede servir para tener varias presiones máximas en el ciclo si se utilizan varias válvulas de alivio piloto en conjunto con va-

rias válvulas direccionales, o en vez de la válvula de alivio general y la válvula de venteo, se uti-liza una válvula proporcional de presión, con la cual se podría, por ejemplo tener una presión diferente en cada actuador.

Sistema de venteo

Figura 105. Circuito complejo con varios actuadores.

Líneas comunes de presión y tanque

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HIDROTRANSMISION (CIRCUITO CERRADO) Este es un tipo de sistema hidráulico extremadamente común en equipo móvil, aunque también es muy usado en equipo industrial. Básicamente es el sistema de transmisión de potencia hidráulica mas simple aparentemente, puesto que consta de una bomba que envía y recibe aceite a un motor hidráulico. La bomba en-vía flujo al motor por una línea, el motor gira y retorna el aceite directamente a la succión de la bomba que al girar lo reenvía al motor otra vez, y así indefinidamente. De ahí su nombre de cir-cuito cerrado o “closed loop” Como dijimos anteriormente, parece sencillo porque físicamente lo que cualquiera puede ver son una bomba y un motor, pero hay varios elementos adicionales: ♦ Bomba de precarga, porque la bomba y el motor son de pistones y tienen drenajes exter-

nos, y ese aceite que se pierde por ahí hay que reponerlo en la succión de la bomba, en-tonces ese aceite proveniente de esta bomba debe tener una presión para evitar la cavita-cion ( falta de aceite en la succión que genera un gran vacío que puede dañar la bomba).

♦ Checks para rellenar el puerto que tenga menos presión con la bomba de precarga, por-

que la bomba puede invertir la salida de presión con la succión para cambiar la dirección de rotación del motor.

♦ Válvulas de alivio en los puertos. Para limitar la presión en cada una de las líneas que van

al motor. ♦ Válvula de alivio de precarga. Generalmente graduada entre 100 y 500 psi.

Bomba Motor

Válvula de alivio y carga

Alta presión

Precarga

Baja presión

Filtro Enfriador

Válvula de alivio de la precarga

Precarga-Bomba

Figura 106. Hidrotransmision en corte. Elementos.

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1. Bomba 7. Mangueras de drenaje 2. Motor 8. Mangueras de presión 3. Tanque 9. Enfriador de aceite-aire 4. Válvula de cierre tanque 10. By-pass enfriador 5. Filtro de precarga 11. Manguera de retorno 6. Manguera de succión 12. Respiradero del tanque De bomba de precarga

Figura 107. Hidrotransmision. Conexiones externas del circuito y componentes típicos.

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CIRCUITO PARA PRENSA DE VULCANIZADO DE ALTA VELOCIDAD, CON EXPULSOR La prensa de vulcanizado tiene un avance rápido del molde superior y en cierto punto antes del cierre, cambia de velocidad para poder subir a la presión máxima. Luego permanece con pre-sión hasta que el caucho quede vulcanizado y la prensa abre y luego expulsa. Los cilindros auxiliares están acoplados a la mesa móvil, lo mismo que el principal, cuando se energizan las bobinas 1 y 2 simultáneamente, el caudal de la bomba va a la parte superior de los cilindros y ellos bajan, al ser sus diámetros mucho menores que el del principal (2” contra 18”) los auxilia-res van a mover la mesa muy rápido hacia abajo, arrastrando al principal. Como el principal desplaza tanto volumen, al moverse tiene que llenarse chupando aceite desde el tanque a tra-vés de la válvula de prellenado, cabe anotar que la válvula de prellenado para un cilindro de es-te tamaño podría perfectamente ser de 3 o 4” de diámetro de puertos para permitir el paso del aceite sin crear mucha caída de presión. Cuando el molde llega al fi-nal del recorrido, un micro switch energiza la bobina 3 pa-ra reducir la velocidad y des-pues el caudal de la bomba sube la presión al valor del presóstato para empezar el ci-clo de vulcanizado y haciendo que se desenergicen las bobi-nas 1 y 2. Despues del tiempo de vulca-nizado se energizan las bobi-nas 1 y 3 para realizar la aper-tura de la prensa. El aceite del cilindro principal abre la válvu-la de prellenado por acción de la presión piloto tomada de la línea de subir de los auxiliares. Para finalizar, actúa el expul-sor energizando las bobinas 1 y 4 y posteriormente las 1 y 5..

MOTOR ELECTRICO18 H.P.

1800 RPM

TANQUE DE 400 LITROS

Figura 108. Circuito de prensa de vulcanizado de alta velocidad, con expulsor

Válvula de prellenado

Cilindro principal

2 Cilindros auxiliares

Control de descompresión

1 2 3 4 5

6

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ACCESORIOS En los sistemas hidráulicos se necesitan algunos elementos para el cuidado del aceite como los filtros y enfriadores, presóstatos o interruptores de presión, manómetros para medir la presión y poder calibrar el sistema, tanques para almacenar el aceite y para que ayuden a la refrigeración y la separación del aire y las impurezas en el mismo, tuberías, mangueras y placas distribuido-ras para las conexiones entre los diferentes puntos, bridas, pedestales y soportes para los ele-mentos y otros accesorios. PRESOSTATO El presóstato o interruptor de presión es un elemento hidráulico que por medio de una conexión de tubería toma la presión y por medio de un pistón interno, un resorte y un micro contacto eléc-trico da una señal eléctrica de abierto o cerrado para ser utilizada para controlar la secuencia de la máquina, o actuar otros elementos eléctricamente. La presión a la que da la señal puede ser graduada con el tornillo de graduación casi desde 0 psi hasta 3.000 o 5.000 psi generalmente. Los presóstatos pueden ser también de vacío (para ser colocados en la succión de las bombas.

MANOMETROS Los manómetros son elementos diseñados para medir la presión en los diferentes puntos del sistema. Son necesarios para ajustar las válvulas de alivio y para verificar el buen funciona-miento del sistema. El manómetro mas utilizado en hidráulica es el de Bourdon que consiste en un tubo sellado que tiene forma de arco. Cuando se aplica presión al extremo abierto, el tubo trata de enderezarse actuando sobre el engranaje del mecanismo del puntero haciéndolo girar sobre la escala. Es conveniente que al montar el manómetro se coloque una válvula aisladora para impedir que

Figura 109. Presóstato.

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le llegue presión cuando no se desee y así alargarle la vida. Por otra parte, en hidráulica los ma-nómetros deben estar llenos con glicerina para que la vibración en la aguja producida por la pre-sión del aceite no los fatigue y los haga descalibrarse y dañarse. ENFRIADORES DE ACEITE

Los sistemas hidráulicos, siendo su función la de transmitir potencia no son 100% eficientes, tie-nen pérdidas las cuales dependen del tipo de sistema, de los componentes que tienen, del cir-cuito hidráulico, temperatura de trabajo, etc., esas pérdidas se quedan en el sistema en forma de calor, y se puede apreciar en la temperatura del tanque. Si esta temperatura es demasiado alta es necesario utilizar el enfriador de aceite. Existen dos tipos principalmente, los que utilizan agua como refrigerante y los de aire. Los primeros se conocen como intercambiadores de calor y los segundos como radiadores. Los intercambiadores son básicamente elementos que constan de un tubo grande que tiene en su interior una gran cantidad de tubitos pequeños. Por los tubos pequeños circula el agua y por fuera de ellos circula el aceite, produciéndose el intercambio del calor del aceite caliente al agua fría.

Figura 110. Enfriadores de aceite.

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Los radiadores son elementos que constan de múltiples tubos conectados en paralelo con lámi-nas delgadas en su exterior para ayudar a disipar el calor del interior de los tubos por donde cir-cula el aceite, El aire es el encargado de llevarse el calor normalmente forzado a pasar por en-tre los tubos y las láminas por medio de un ventilador. Es importante hacer notar que el enfriador mas eficiente es el de agua, es mucho mas compac-to, pero necesita un flujo constante de agua fría, el cual si no existe en la fábrica, implica un ma-yor costo en la instalación. Por otra parte el enfriador de aire es menos eficiente y grande en vo-lumen, lo mismo en costo, pero no requiere agua. TANQUES El tanque es básicamente el depósito del aceite usado por el sistema hidráulico. Aparentemen-te, no es un elemento muy importante, pero un descuido en su diseño puede producir grandes problemas, como que un sistema no pueda funcionar. Las funciones principales del tanque son: Depósito del aceite, como ya lo explicamos, es el sitio donde se separa el aire del aceite si lo tiene. Además, debe ser capaz de disipar por si mismo el calor que genere el sistema. Un tanque hidráulico típico como el que se muestra en la figura debe ser fabricado de lámina de acero, debe tener patas para que el aire del ambiente pueda circulas también por la parte infe-rior, el interior debe tener pintura que sea compatible con el fluido, para evitar la oxidación y la formación de moho, lo mismo que fácil acceso. Debe ser hermético al exterior para evitar el in-greso de la contaminación, pero tener un respiradero que sea filtro a la vez. También en su interior debe llevar una placa deflectora que tiene como función separar la parte de la succión de la parte del retorno para permitir que el aceite se mezcle bien, saque el aire, deje el calor en las caras del tanque, y permita que las impurezas se asienten en el fondo. La mayoría de las líneas deben llegar por debajo del nivel del aceite, las líneas que entran o sa-len del tanque deben tener empaques o estar fijos a las tapas para evitar la entrada de aire.

Placa de montaje del motor eléctrico

Línea de succión

Tapa de llenado-filtro

Visor de nivel

Tapa de limpieza

Tapón de drenaje Placa divisora del tanque

en dos mitades

Retorno

Línea de Drenaje

Fondo en V

Figura 111. Tanque hidráulico típico. Componentes.

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FILTROS Los filtros son elementos hidráulicos conocidos por pocos, despreciados por muchos y son qui-zás los accesorios más importantes y que mayores beneficios pueden reportarles a los propieta-rios de las máquinas. Su función primordial es la de prolongar la vida del sistema hidráulico im-pidiendo que los componentes hidráulicos se desgasten. Lo anterior lo hace removiendo o impi-diendo que los diferentes contaminantes permanezcan en el aceite, el cual es el medio de trans-misión de la potencia. Para poder saber que tan importante es la filtración, tenemos que saber cuales son los contami-nantes, cuales son sus tamaños y cuales son los niveles permitidos de contaminación para que el sistema funcione libre de problemas. Los contaminantes son: Agua Aire Partículas El agua interfiere en las propiedades del fluido, le baja la viscosidad, reacciona con algunos componentes, acelera la oxidación del aceite y de las piezas metálicas, y promueve los cultivos bacterianos. El aire produce malfuncionamiento en los actuadores, válvulas y bombas, impide la buena lubri-cación interna en los componentes hidráulicos acelerando el desgaste. Las partículas generalmente son las que crean mas problemas ya que interfieren con la lubrica-ción porque se colocan entre las piezas que se mueven unas con otras dentro de los diferentes elementos hidráulicos, se acumulan y tapan conductos pequeños generando roturas de piezas. Las partículas provienen del aire mayormente, del mismo fluido y de las propias piezas que componen los elementos hidráulicos. Para dar una idea del tamaño de las partículas que pueden producir daño miremos las “claves de la filtración”.

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Solución a los ejercicios Capitulo 1 1 44 segundos 2 a)0.13 in b)0.5 13 in 3 a)1604 PSI, b)0.5 GPM 4 a)5615 PSI 068 galones b)2193 PSI 1.64 galones c)1403 PSI 2.72 galones No debe tenerse en cuesta 5 a)2807 PSI b)7 GPM c)13.8 HP Capitulo 2 1 6 in 2 a)22.9 segundos b)2 GPM 3 6 in 4 3in3/Rev. 5 a)15.9=16 in3/Rev. b)6.9 =7GPM Capitulo 3 diámetro =10 in Caudal =20 GPM Potencia =40 HP 2 a)Diametro del pistón =20 in Presión del sistema =3860 PSI Caudal =32 GPM b)Bomba de pistones 3 a)Fuerza a 300 PSI en el sistema =150796 lbf =68.4ton Velocidad de avance =23.35 Mm./s b)fuerza a 3000PSI en las líneas =753982 lbf =342 ton Velocidad de avance =4.67 Mm./s 4 diámetro =7 in Caudal 24 GPM Potencia 48 HP 5 Caudal =10.5 GPM Velocidad de trabajo =9mm/s 2 diámetro de pistón = 6 in, Presión del sistema = 3120 PSI, diámetro =3 in Caudal de aproxi-madamente =29 GPM Caudal de trabajo =7.5 GPM, Caudal de retorno =11 GPM, Potencia máxima = 24 HP (durante el retorno).

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