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MANUAL DE
OLEOHIDRÁULICA
INDUSTRIAL
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MANUAL DE
OLEOHIDRÁULICA
INDUSTRIAL
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935100-A
EDITORIAL BLUME
Milanesado, 21-23
Barcelona - 17
PREFACIO
Cómo muchas ramas de la ingeniería, la hidráulica es a la vez antigua y moderna. El uso de la rueda hidráulica, por ejemplo, es tan
antiguo que su invención precede a la historia escrita. Sin embargo, el uso de un fluido bajo presión, utilizado para transmitir
potencia y controlar movimientos complicados, es relativamente moderno y ha tenido su mayor evolución en las dos o tres últimas
décadas.
No nos concierne aquí el estudio de la generación de potencia en la rama de la hidráulica representada por la rueda hidráulica. La
máquina de vapor, el motor de combustión interna, el motor eléctrico y la turbina de agua, todos, han realizado un trabajo
admirable en el suministro de potencia; sin embargo, todos ellos necesitan mecanismos para transformar esta potencia en trabajo
útil. El propósito de este manual es estudiar el uso de los fluidos a presión en la transmisión de potencia o movimiento bajo un
control preciso.
A menudo se nos ha preguntado: ¿por qué es la hidráulica industrial necesaria, cuando tenemos a nuestra disposición muchas y
bien conocidas máquinas mecánicas, neumáticas y eléctricas?. Respondemos lo siguiente: porque un fluido a presión es uno de los
medios más versátiles, conocidos hoy en día, para originar o modificar movimientos, y para transmitir potencia. Es tan rígido como
el acero y además infinitamente flexible. Cambia instantáneamente su forma para adaptarse al cuerpo que resiste su empuje y se
puede derivar haciendo cada derivación su trabajo con arreglo a sus posibilidades, y puede reunirse nuevamente para trabajar en
conjunto.
Puede moverse rápidamente en una parte de su trayectoria y despacio en la otra. Ningún otro medio combina el mismo grado de
exactitud y flexibilidad, manteniendo la posibilidad de transmitir un máximo de potencia con un mínimo de volumen y peso. Las
leyes de la mecánica de los fluidos son tan simples como las de los sólidos y más sencillas que las leyes que regulan la electricidad,
los vapores o los gases. La ingeniería en general y la hidráulica en particular se proponen aumentar la capacidad física y mental del
hombre en la realización de trabajos más rápidos y precisos y con menos desgaste de energía humana.
Aunque este manual está dedicado principalmente a explicar el funcionamiento y mantenimiento del equipo Vickers, incluye
capítulos generales sobre principios fundamentales de la hidráulica y sobre todos los tipos de bombas, motores y válvulas de
control. El equipo Vickers descrito se limita a los elementos más representativos que pueden hallarse, habitualmente, en la
industria de la máquina-herramienta.
En los últimos años han sido desarrolladas y establecidas normas en la mayoría de las industrias; en el campo de la hidráulica,
probablemente los esfuerzos más significativos en este sentido fueron iniciados por la Joint Industry Conference (J.I.C.). La J.I.C.
estaba formada por varias asociaciones de industrias reconocidas, interesadas en establecer normas para la industria, teniendo por
finalidad promover la seguridad del personal, la facilidad del mantenimiento y prolongar la vida útil del equipo y de las he-
rramientas. Como sus recomendaciones fueron muy bien recibidas en el campo de la hidráulica, sus esfuerzos fueron continuados
por la American Standards Association (ASA) en cooperación con la National Fluid Power Association. El nombre de ASA fue
cambiado posteriormente por el de ANSI (American National Standards Institute).
En este manual se utilizan las normas establecidas para los símbolos gráficos y la codificación de colores para caudal y presión. El
significado de los símbolos se discute en el segundo capítulo y en el apéndice II. El código de colores en los diseños de los
componentes y en las líneas hidráulicas es como sigue:
Nota del traductor
1) El código de colores y los símbolos gráficos utilizados en este Manual corresponden a la norma americana ASA
denominada posteriormente ANSI (American National Standards Institute). En Europa se utiliza la norma CETOP
(Conferencia Europea de Transmisiones Oleoneumáticas) cuyos símbolos gráficos son muy parecidos a los ANSI pero
con un código de colores distinto (únicamente rojo y azul de distintas tonalidades).
2) Las unidades utilizadas en este Manual son las normalmente utilizadas en la industria española. En el Apéndice 3 pueden
verse las equivalencias entre estas unidades, las utilizadas en la industria británica y americana y las unidades según
norma CETOP.
3) Este Manual se utiliza como libro de texto en nuestra Escuela de Oleohidráulica (Cursillus Al y A2) y también en la
Escuela de Sperry Vickers en Venezuela.
Capítulo 1
INTRODUCCION A LA HIDRÁULICA
El estudio de la hidráulica concierne al empleo y
características de los líquidos. Desde tiempos primitivos el
hombre ha usado fluidos para facilitar su tarea. No es difícil
imaginar un hombre de las cavernas flotando por un río
sobre un tronco, y arrastrando a sus hijos u otras
pertenencias a bordo de otro tronco con una cuerda fabricada
con lianas trenzadas.
Los más antiguos vestigios históricos muestran que sistemas
como las bombas y las norias eran conocidos en las épocas
más antiguas. Sin embargo, la rama de la hidráulica que nos
concierne sólo empezó a usarse en el siglo XVII. Basada en
un principio descubierto por el científico francés Pascal, se
refiere al empleo de fluidos con6nados para transmitir
energía, multiplicando la fuerza y modificando el
movimiento.
La Ley de Pascal, enunciada sencillamente, dice: la presión
aplicada a un fluido confinado se transmite íntegramente en
todas las direcciones y ejerce fuerzas iguales sobre
áreas iguales, actuando estas fuerzas normalmente a las
paredes del recipiente. Esto explica por qué una botella llena
de agua se romperá si introducimos un tapón en la cámara ya
completamente llena. El líquido es prácticamente
incomprensible y transmite la fuerza aplicada al tapón a todo
el recipiente (fig. 1-1). El resultado es una fuerza
considerablemente mayor sobre un área superior a la del
tapón. Así, es posible romper el fondo de la botella
empujando el tapón con una fuerza moderada.
La misma sencillez de la Ley de Pascal fue probablemente la
causa de que, durante dos siglos, el hombre no se diera
cuenta de sus enormes posibilidades. En los primeros años
de la revolución industrial, un mecánico británico llamado
Joseph Bramah utilizó el descubrimiento de Pascal para
desarrollar una prensa hidráulica.
Bramah pensó que si una pequeña fuerza, actuando sobre un
área pequeña, crea una fuerza proporcionalmente más grande
sobre un área mayor, el único límite a la fuerza que
puede ejercer una máquina es el área a la cual se aplica la
presión.
La figura 1-2 muestra cómo Bramah aplicó el principio de
Pascal a la prensa hidráulica. La fuerza aplicada es la misma
que en el tapón de la figura 1-1 y el pequeño pistón tiene la
misma área de 1 cm2. El pistón grande, sin embargo, tiene un
área de 10 cm2. El pistón grande es empujado con. 10 kp de
fuerza por cm2, de forma que puede soportar un peso total o
fuerza de 100 kp.
Puede verse fácilmente que las fuerzas o pesos que
equilibran este aparato son proporcionales a las áreas de los
pistones. Así pues, si el área del pistón de salida es de 200
cm2, la fuerza de salida será de 2000 kp (suponiendo el
mismo empuje de 10 kp sobre cada cm2). Este es el principio
de funcionamiento del gato y de la prensa hidráulica.
Es interesante notar la similitud entre esta prensa simple y
una palanca mecánica (vista B). Como Pascal ya había
indicado, en este caso también la fuerza es a la fuerza como
la distancia es a la distancia.
1.1. DEFINICION DE PRESION
Para determinar la fuerza total ejercida sobre una superficie
es necesario conocer la presión o fuerza sobre la unidad de
área. Generalmente expresamos esta presión en kp por cm2.
Conociendo la presión y el número de cm2 de la superficie
sobre la cual se ejerce, se puede determinar fácilmente la
fuerza total.
(fuerza en kp = presión en kp/cm2 x superficie en cm
2 )
1.2. CONSERVACIÓN DE LA ENERGIA
Una ley fundamental de la física afirma que la energía no
puede crearse ni destruirse. La multiplicación de fuerza en la
figura 1-2 no es una cuestión de obtener algo por nada. El
pistón grande se mueve solamente por la acción del líquido
desplazado por el pistón pequeño, lo que hace que la
distancia que recorre cada pistón sea inversamente pro-
porcional a su superficie (fig. 1-3). Lo que se gana en fuerza
se pierde en distancia o velocidad.
1.3. TRANSMISION DE POTENCIA HIDRÁULICA
Ahora puede definirse la hidráulica como un medio de
transmitir energía empujando un líquido confinado. El
componente de entrada del sistema se llama bomba; el de
salida se denomina actuador.
Aunque por razones de sencillez hemos representado un
pistón simple, la mayoría de las bombas llevan pistones
múltiples, paletas o engranajes, que son sus elementos de
bombeo. Los accionadores pueden ser lineales, como el
cilindro mostrado, o rotativos, como los motores hidráulicos
(fig. 1-4).
El sistema hidráulico no es una fuente de potencia. La fuente
de potencia es un accionador primario -un motor eléctrico u
otro tipo de motor- que acciona la bomba. El lector podría
preguntarse: ¿por qué no olvidarse de la hidráulica y acoplar
el equipo mecánico directamente al accionador primario? La
respuesta reside en la versatilidad
del sistema hidráulico que tiene ventajas sobre los otros
métodos de transmisión de energía.
1.4. VENTAJAS DE LA HIDRÁULICA
1.4.1. Velocidad variable
La mayoría de los motores eléctricos funcionan a una
velocidad constante. El actuador (lineal o rotativo) de un
sistema hidráulico, sin embargo, puede moverse a
velocidades infinitamente variables, variando el suministro
de la bomba o usando una válvula de control de caudal (fig.
1-5).
1.4.2. Reversibilidad
Pocos accionadores primarios son reversibles. Los que son
reversibles, generalmente deben decelerarse hasta una parada
completa antes de invertirlos.
Un actuador hidráulico puede invertirse, instantáneamente,
en pleno movimiento, sin problemas.
Una válvula direccional de 4 vías (fig. 1-6) o una bomba
reversible proporcionan el control de inversión, mientras una
válvula limitadora de presión protege a los componentes del
sistema contra las presiones excesivas.
1.4.3. Protección contra las sobrecargas
La válvula limitadora de presión de un sistema hidráulico lo
protege contra las sobrecargas. Cuando la carga es superior
al taraje de la válvula, el caudal de la bomba se dirige al
depósito limitando el par o la fuerza de salida. La válvula
limitadora de presión también proporciona el medio de
ajustar una máquina para un par o fuerza predeterminada,
como en una operación de bloqueo.
1.4.4. Tamaños pequeños
Los componentes hidráulicos, debido a su elevada velocidad
y capacidad de presión, pueden proporcionar una potencia de
salida elevada con pesos y tamaños pequeños.
1.4.6. Pueden bloquearse
El bloqueo de un motor eléctrico causa daños o funde el
fusible. Igualmente, las máquinas no pueden bloquearse
bruscamente e invertirse su sentido sin necesidad de arrancar
de nuevo. Un actuador hidráulico, sin embargo, puede
quedar bloqueado sin que se produzcan daños, al estar
sobrecargado, y arrancará inmediatamente en cuanto
disminuya la carga. Durante el bloqueo, la válvula de
seguridad simplemente dirige el caudal de la bomba al
depósito. La única pérdida experimentada es la potencia que
se disipa inútilmente.
1.5. ACEITE HIDRÁULICO
Todos los líquidos son esencialmente incompresibles y, por
consiguiente, transmiten la energía instantáneamente en un
sistema hidráulico. La palabra hidráulica, de hecho, viene del
griego Hydor que significa agua y Aulos que significa tubo.
La primera prensa hidráulica de Bramah y algunas prensas
todavía utilizadas hoy en día emplean el agua como
elemento de transmisión. Sin embargo, el líquido más
generalmente usado en los sistemas hidráulicos es el aceite
procedente del petróleo. El aceite transmite la energía
fácilmente porgue es muy poco compresible. Se comprime
aproximadamente 0.5 % a una presión de 70 kn/cm2 , lo que
es despreciable en la mayoría de los sistemas. La propiedad
más destacable del aceite es su capacidad lubrificante. El
fluido hidráulico debe lubrificar la mayor parte de las piezas
móviles de los componentes.
1 .6. PRESION EN UNA COLUMNA DE FLUIDO
El peso específico del aceite varía al cambiar su viscosidad.
Sin embargo, el peso específico de la mayoría de los aceites
hidráulicos varía de 0.88 a 0.93 kp/cm3 , en condiciones de
funcionamiento normales.
Una consideración importante referente al peso específico
del aceite es su efecto en la entrada de la bomba. El peso del
aceite origina una presión de aproximadamente 0.09 kp/cm2
en el fondo de una columna de aceite de 100 cm de altura
(fig. 1-7). Así pues, para estimar la presión en la parte
inferior de cualquier columna de aceite se debe multiplicar
su altura en centímetros por 0.0009 kp/cm2 .
Para aplicar este principio consideremos los casos en que el
depósito de aceite esté situado encima o debajo de la entrada
de la bomba (fig. 1-8). Cuando el nivel de aceite del depósito
está por encima de la entrada de la bomba, existe una presión
positiva que fuerza al aceite hacia la bomba. Sin embargo, si
la bomba está situada por encima del nivel de aceite, se
necesita un vacío equivalente a 0.09 kp/cm2 por metro para
elevar el aceite hasta la entrada de la bomba, En realidad, el
aceite no es elevado por el vacío, sino que la presión
atmosférica impulsa al aceite contra el vacío creado a la
entrada de la bomba cuando ésta está funcionando. El agua y
varios fluidos hidráulicos ininflamables son más pesados que
el aceite y por consiguiente requieren más vacío por
centímetro de elevación.
1.6. LA PRESIÓN ATMOSFÉRICA CARGA DE BOMBA
Normalmente la entrada de una bomba está cargada con
aceite, debido a la diferencia de presiones entre el depósito y
la entrada de la bomba. Generalmente la presión en el de-
pósito es la presión atmosférica, que es de 1.03 kp/cm2 . Es,
pues, necesario tener un vacío parcial o una presión reducida
a la entrada de la bomba, para que ésta pueda aspirar aceite.
La figura 1-9 muestra la situación típica de una bomba
manual, que es simplemente un pistón recíproco. En la
carrera de aspiración, el pistón crea un vacío parcial en la
cámara de bombeo. La presión atmosférica en el depósito
impulsa al aceite hacia la cámara para llenar el vacío. (En
una bomba rotativa las cámaras de bombeo sucesivas
aumentan de tamaño a medida que pasan por la entrada
creando, efectivamente, una condición de vacío.)
Si fuese posible crear un vacío completo a la entrada de la
bomba, se dispondría de 1.03 kp/cm2 para impulsar a1 aceite.
Sin embargo, prácticamente la diferencia de presión
disponible es mucho menor. Uno de los motivos es que los
líquidos se evaporan en un vacío. Esto introduce burbujas de
gas en el aceite. Las burbujas son arrastradas a través de
la bomba, desaparecen con fuerza considerable cuando se
ven expuestas a la presión en la salida y causan daños que
pueden perjudicar al funcionamiento de la bomba y reducir
su vida útil.
Incluso si el aceite tiene buenas características de presión de
vapor (como la mayoría de los aceites hidráulicos), una
presión en la línea de entrada demasiado baja (alto vacío)
permite que se evapore el aire disuelto en el aceite. Esta
mezcla de aceite también desaparece al verse expuesta a la
presión de la carga y provoca los mismos daños de
cavitación. Si la bomba funciona a velocidad demasiado
elevada, aumenta la velocidad en la línea de entrada y
también la condición de baja presión, lo que incrementa la
posibilidad de cavitación.
Si los racores de la línea de entrada no están bien apretados,
el aire exterior, a la presión atmosférica, puede penetrar
hacia la presión más baja (zona de más baja presión de la
línea) y puede llegar hasta la bomba. Esta mezcla aire-aceite
también es causa de problemas y de ruido pero es diferente
de la cavitación. Cuando se ve expuesto a la presión en la
salida de la bomba, este aire adicional se comprime,
formando una especie de "cojín", y no desaparece tan
violentamente. No se disuelve en el aceite pero penetra en el
sistema en forma de burbujas compresibles que provocan un
funcionamiento errático de las válvulas y actuadores.
La mayoría de los fabricantes de bombas recomiendan un
vacío que no exceda de 127 mm de mercurio, el equivalente
de aproximadamente 0.83 kp/cm2 en la entrada de la bomba.
Con una presión atmosférica de 1 .03 kg/cm disponible en el
depósito esto deja solamente una diferencia de presión de
0.20 kp/cm2 para impulsar al aceite hacia la bomba. Debe
evitarse una elevación excesiva y las líneas de entrada de la
bomba deben permitir que el aceite circule con un mínimo
de resistencia.
1.7. LAS BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO
DAN CAUDAL
La mayoría de las bombas utilizadas en los sistemas hidráu-
licos se clasifican como de desplazamiento positivo. Esto
significa que, exceptuando los cambios de rendimiento. La
salida de la bomba es constante, aislada de la entrada, de
forma que cualquier cosa que entre se ve forzada a salir por
el orificio de salida.
El único objeto de una bomba es dar caudal; la presión es
originada por la resistencia al caudal. Aunque existe la
tendencia de culpar a la bomba por la pérdida de presión,
con pocas excepciones, la presión puede perderse solamente
cuando hay fugas que desvían todo el caudal procedente de
la bomba. Como ejemplo supongamos que una bomba de 10
litros por minuto se utiliza para alimentar un cilindro de 100
cm2 y para levantar una carga de 4000 kp (fig. 1-10).
Mientras la carga sea elevada o soportada por el aceite
hidráulico, la presión debe ser 40 kp/cm2.
Incluso si hay un agujero en el pistón y 9.5 L/min se fugan a
40 kp/cm2, la presión se seguirá manteniendo. Con
solamente 0.5 L/min disponibles para mover la carga, ésta,
naturalmente, se levantará muy despacio, pero la presión
requerida para moverla seguirá siendo la misma.
Ahora imaginemos que la fuga de 9.5 L/min estuviese en la
bomba en vez de en el cilindro. Todavía habría 0.5 L/min
para mover la carga y todavía habría presión. Así pues, una
bomba puede estar muy desgastada, perdiendo casi todo su
rendimiento, y la presión todavía puede mantenerse. El
mantenimiento de la presión no indica el estado de la bomba.
Es necesario medir el caudal a una presión determinada para
comprobar si una bomba está en buenas o malas
condiciones.
1 .9. COMO SE CREA LA PRESIÓN
La presión se origina cuando el caudal encuentra resistencia.
La resistencia puede ser debida a la carga del actuador o a
una restricción (u orificio) en las tuberías. La figura 1-10 es
un ejemplo de un actuador con carga. El peso de 4000 kp
resiste al caudal de aceite bajo el pistón y crea presión en el
líquido. Si el peso aumenta, también lo hace la presión.
En la figura 1-11 una bomba de 10 L/min tiene su salida
conectada a una válvula de seguridad regulada a 70 kp/cm2 y
a un grifo. Si el grifo está completamente abierto el caudal
de salida de la bomba pasa libremente y no hay indicación en
el manómetro.
Supongamos ahora que el grifo se cierra progresivamente.
Aumenta la resistencia al caudal y la presión irá aumentando
a la entrada del grifo. A medida que se cierra la abertura se
necesitará cada vez más presión para impulsar los 10 1/min a
través de la restricción. Sin la válvula de seguridad no habría
teóricamente ningún límite al incremento de presión. De
hecho, o algo se rompería o la bomba bloquearía el motor
que la acciona.
En nuestro ejemplo, en el momento en que la presión llega a
70 kp/cm2, la válvula de seguridad empieza a abrirse y la
presión permanece constante. Cerrar más el grifo dará como
resultado que pasará menos aceite por el mismo y más por la
válvula de seguridad. Con el grifo completamente cerrado,
los 10 L/min pasarán por la válvula de seguridad a 70
kp/cm2.
Acabamos, pues, de ver que en todos los sistemas en que se
emplean bombas de desplazamiento positivo debe utilizarse
una válvula de seguridad u otro sistema que limite la presión.
1.10. DERIVACIONES DE CAUDAL
Una característica inherente a los líquidos es que siempre
toman el camino de menor resistencia. Así pues, cuando las
derivaciones ofrecen resistencias diferentes, la presión
aumenta solamente en la cantidad requerida para circular por
el camino de menos resistencia.
En la figura 1-12 el aceite tiene tres caminos posibles. Como
la válvula A se abre a 7 kp/cm2, el aceite pasará por esta
derivación y la presión aumentará solamente hasta 7 kp/cm2,
Si el caudal quedase bloqueado más allá de A, la presión
aumentaría hasta 14 kp/cm2; entonces el aceite
pasaría por B. No habría caudal a través de C a menos que el
camino a través de la válvula B también se bloquease.
De manera similar, cuando el caudal de salida de una bomba
se dirige hacia dos actuadores, el actuador que necesita
menos presión es el primero en moverse. Como es difícil
equilibrar las cargas exactas, los cilindros que deben
moverse juntos se suelen conectar mecánicamente.
1.11. CIRCULACIÓN DEL CAUDAL EN SERIE
Cuando las resistencias al caudal están conectadas en serie,
las presiones se suman. En la figura 1-13 se muestran las
mismas válvulas que en la figura 1-12 pero conectadas en
serie. Los manómetros colocados en las líneas indican la
presión normalmente requerida para abrir cada válvula,
además de la contrapresión procedente de las válvulas
situadas en el sentido de la corriente.
La presión en la bomba es la suma de las presiones
requeridas para abrir las válvulas individualmente.
1.12. CAÍDA DE PRESIÓN A TRAVÉS DE UN ORIFICIO
Un orificio es un paso restringido en una línea hidráulica o
componente usado para controlar el caudal o crear una
diferencia de presión (caída de presión). Para que el aceite
fluya a través de un orificio, tiene que haber una diferencia
de presión o caída de presión a través del orificio (el término
"caída" procede del hecho de que la presión inferior siempre
está más abajo en el sentido de la corriente). Inversamente, si
no hay caudal no hay diferencia de presión a través del
orificio.
Consideremos las condiciones relativas al orificio en la
figura 1-14, vista A. La presión es igual a ambos lados; por
consiguiente, el aceite es impulsado de igual manera en
ambos sentidos y no hay caudal.
En la vista B, la presión más elevada impulsa más
fuertemente hacia la derecha y el aceite fluye por el orificio.
En la vista C también hay una caída de presión; sin embargo,
el caudal es menor que en B porque la diferencia de presión
es menor.
Un aumento de la caída de presión a través de un orificio
siempre estará acompañado por un aumento del caudal.
Si el caudal se bloquea más allá de un orificio (Vista D), la
presión se igualará inmediatamente a ambos lados del
orificio de acuerdo con la Ley de Pascal. Este principio es
esencial para el funcionamiento de muchas válvulas de
control de presión compuestas (equilibradas
hidráu1icamente).
1.13. LA PRESIÓN INDICA LA CARGA DE TRABAJO
En la figura 1-10 se veía cómo la presión se genera por la
resistencia de una carga. Se observó que la presión es igual a
la fuerza de la carga dividida por la superficie del pistón.
Podemos expresar esta relación mediante la fórmula general:
F
P = -------
S
En esta relación:
P es la presión en kp/cm2
F es la fuerza en kp
S es la superficie en cm2
Según esto, puede verse que un aumento o disminución de la
carga dará como resultado un incremento o disminución
similar en la presión de trabajo. En otras palabras, la presión
es proporcional a 1a carga, y una lectura del manómetro
indica la carga de trabajo (en kp/cm2) en un momento dado.
Los manómetros indican presiones relativas. Es decir que un
manómetro estándar indica 0 a la presión atmosférica. Un
manómetro absoluto indica 1.03 kp/cm2 a la presión
atmosférica al nivel del mar. La presión absoluta se mide
generalmente en kp/cm2 abs.
1 .14. LA FUERZA ES PROPORCIONAL A LA PRESIÓN
Y A LA SUPERFICIE
Cuando un cilindro hidráulico se usa para mantener una
carga, la fuerza que aplica puede calcularse como sigue:
F = P x S
Nuevamente:
P es la presión en kp/cm2
F es la fuerza en kp
S es la superficie en cm2
Como ejemplo, supongamos que una prensa hidráulica tiene
su presión regulada a 140 kp/cm2 (fig. 1-15) y esta presión se
aplica a una superficie de 100 cm2. La fuerza de salida será
entonces 140 000 kp o 14 t.
1.15. CALCULO DE LA SUPERFICIE DEL PISTON
La superficie de un pistón puede calcularse mediante la
fórmula:
S = 0.7854 x d2
Donde:
S es la superficie en cm2
D es el diámetro del pistón en cm
Las relaciones precedentes pueden representarse
gráficamente tal como se indica para mostrar las tres
relaciones:
F = P x S
P = F / S
S = F / P
1 .16. VELOCIDAD DE UN ACTUADOR
La velocidad de desplazamiento del vástago de un cilindro o
de giro de un motor depende de su tamaño y del caudal
que se le envía. Para relacionar el caudal con la velocidad,
consideremos el volumen que requiere el actuador para
obtener un desplazamiento determinado.
En la figura 1-16 puede observarse que los dos cilindros
tienen el mismo volumen. Sin embargo, el pistón del cilindro
B se desplaza dos veces más rápidamente que el cilindro A
porque el caudal de la bomba se ha doblado. Si cualquiera de
los cilindros tuviese un diámetro más pequeño, sería más
rápido. 0 si su diámetro fuese mayor sería menos rápido,
suponiendo, naturalmente, que el suministro de la bomba
fuese constante.
La relación entre estas magnitudes puede expresarse como
sigue:
volumen/tiempo
Velocidad = --------------------------
Superficie
Volumen/tiempo = velocidad x superflcie
volumen/tiempo
Superficie = ----------------------------
Velocidad
v
---- = cm3/minuto
t S = centímetros cuadrados
V = centímetros/minuto
Según esto, podemos sacar las siguientes conclusiones: (1)
que la fuerza o par de un actuador es directamente
proporcional a la presión e independiente del caudal; (2) que
su velocidad depende del caudal que reciba con
independencia de la presión.
1.17. VELOCIDAD EN LAS TUBERÍAS
La velocidad a que circula el fluido hidráulico a través de las
líneas es una consideración de diseño importante, debido al
efecto de la velocidad sobre el rozamiento. Generalmente las
velocidades recomendadas son:
Línea de aspiración de la bomba: de 0.6 a 1.2 metros
por segundo,
Línea de trabajo: de 2 a 5 metros por segundo.
A este respecto, hay que observar que:
1. La velocidad del aceite varía inversamente al cuadrado
del diámetro interior del tubo.
2. Generalmente el rozamiento de un líquido que circula por
una línea es proporcional a la velocidad. Sin embargo, si el
régimen fuese turbulento, el rozamiento variaría con el
cuadrado de la velocidad.
En la figura 1-17 puede verse que doblando el diámetro
interior de una línea se cuadruplica su sección; así, la
velocidad es cuatro veces menor en la línea más ancha. Por
el contrario, reduciendo a 1a mitad el diámetro, se disminuye
la superficie a 1 /4 y se cuadruplica la velocidad del aceite.
El rozamiento origina turbulencia en la corriente de aceite y
opone resistencia al caudal, lo que da como resultado un
aumento de caída de presión en la línea. Se recomienda una
velocidad muy baja para la línea de aspiración de la bomba
porque allí la caída de presión admisible es muy pequeña.
1.18. SELECCIÓN DEL DIÁMETRO DE TUBERÍA
Se dispone de dos fórmulas para calcular el diámetro y la
velocidad en las tuberías hidráulicas.
Si se conocen el caudal en 1/min y la velocidad deseada, se
utiliza esta relación para hallar la sección interior:
caudal (1/min)
Superficie = --------------------------------------
(en cm2 ) 6 x velocidad (en metro/seg)
Cuando se tiene el caudal en I/min y el diámetro de la tu-
bería, se utiliza esta relación para hallar cual será la veloci-
dad final:
caudal (1/min)
Velocidad (m/seg) = --------------------------
6 x superficie (cm2 )
En el capítulo cuarto se encontrará una tabla nomográfica
que permite hacer estos cálculos colocando una regla sobre
unas escalas graduadas.
1.19. TAMAÑOS NOMINALES DE LAS LÍNEAS
Los tamaños nominales en mm de las tuberías, tubos, etc., no
son indicadores precisos del diámetro interior.
En las tuberías normalizadas, el diámetro interior real es
mayor que el tamaño nominal citado. Para seleccionar un
tubo se necesita una tabla que indique los diámetros interio-
res reales (véase capítulo 4).
Para tubos de acero y cobre, el tamaño indicado es el
diámetro exterior. Para hallar el diámetro interior, restar el
doble del espesor de la pared (fig. 1-18).
1.20. TRABAJO Y POTENCIA
Cuando se ejerce una fuerza a lo largo de una distancia, se
realiza un trabajo:
Trabajo = fuerza x distancia
El trabajo se expresa generalmente en kgm. Por ejemplo, si
un peso de 10 kp se eleva a 10 metros, el trabajo es 10 kp x
10 m, o sea 100 kgm.
La fórmula precedente para el trabajo no toma en
consideración con qué velocidad se realiza dicho trabajo. El
trabajo realizado por unidad de tiempo se denomina
potencia.
Para visualizar la potencia pensemos en la operación de subir
unas escaleras. El trabajo realizado es el peso del cuerpo
multiplicado por la altura de las escaleras. Pero es más difícil
correr por las escaleras que andar. Cuando se corre se hace el
mismo trabajo pero a mayor velocidad.
fuerza x distancia trabajo
Potencia = ------------------------ = ---------
Tiempo tiempo
La unidad de potencia es el caballo de potencia, en
abreviatura hp. Es equivalente a 75 kgm/seg. También tiene
equivalencias en potencias eléctrica y calorífica.
1 hp = 746 W (potencia eléctrica)
1 hp = 176.6 cal/seg (potencia caloríoca)
Evidentemente es deseable poder transformar la potencia
hidráulica en potencia mecánica y conocer su equivalente
mecánico, eléctrico y calorífico.
1.21. POTENCIA EN UN SISTEMA HIDRÁULICO
En un sistema hidráulico la velocidad queda indicada por el
caudal, en litros por minuto, y la fuerza, por la presión. De
esta forma podemos expresar la potencia hidráulica como
sigue:
fuerza x distancia presión x superf. x distanc
Potencia = ----------------------- = ---------------------------------
Tiempo tiempo
presión x volumen
= ------------------------- = presión x caudal
tiempo
Para expresar esta relación en unidades, hacemos lo
siguiente:
kp dm3
Presión (kp/cm2 ) x caud. (l/m) = pres. x caud. ----- x ------ x
Cm2 minuto
104 cm
2 1 m
3 minuto kp x m
--------- x --- x --- x --------- = presión x caudal ----------
m2 10
3 dm
3 60 s 6 x s
CV CV
------------ = presión x caudal ------- = potencia
75 kgm/s 450
Así:
presión (kp/cm2 ) x caudal (1/min)
potencia hidráulica (CV) =-----------------------------------------
450
Esta fórmula corresponde a la potencia hidráulica a la salida
de la bomba. La potencia requerida para accionarla será algo
mayor puesto que el rendimiento del sistema no es del 100%.
Si suponemos un rendimiento medio del 80 % , la potencia
mecánica para el accionamiento de la bomba será:
presión (kp/cm2 ) x caudal (1/min)
Potencia (CV) = -------------------------------------------
360
1.22. POTENCIA Y PAR
De forma equivalente podríamos deducir que:
RPM x par (m.kp)
Potencia hidráulica (CV) = -------------------------
717
1.23. DISEÑO DE UN SISTEMA HIDRÁULICO
SENCILLO
A partir de la información dada en este capítulo es posible
diseñar un circuito hidráulico sencillo. Se indica a
continuación la forma en que se debe proceder para hacerlo
(véanse figs. 1-19 a 1-21).
1.23.1 Trabajo a realizar
Para diseñar un circuito, la primera consideración es sobre el
trabajo que se debe realizar. Este trabajo puede ser levantar
un peso, girar una herramienta o bloquear algún elemento. El
trabajo determina el tipo de actuador que hay que utilizar.
Probablemente el primer paso será la selección del actuador.
Si los requerimientos fuesen simplemente de levantar una
carga, un cilindro hidráulico colocado bajo ella haría el
trabajo. La longitud de carrera del cilindro sería, por lo
menos, igual a la distancia de desplazamiento de la carga. Su
superficie se determinaría mediante la fuerza requerida para
elevar la carga y la presión de funcionamiento deseada.
Supongamos que un peso de 4000 kp ha de elevarse a una
altura de 1 metro y que la presión máxima de
funcionamiento debe limitarse a 50 kp/cm2. El cilindro
seleccionado tendría una longitud de carrera de, por lo
menos, 1 metro, y con una superficie de pistón de 80 cm2
proporcionaría una fuerza máxima de 4000 kp. Esto, sin
embargo, no prevé ningún margen de error. Una mejor
selección sería un cilindro de 100 cm2 que permitiría
levantar la carga a 50 kp/cm2 proporcionando una capacidad
de elevación de hasta 5000 kp.
El desplazamiento hacia arriba y hacia abajo del cilindro
sería controlado mediante una válvula direccional. Si la
carga debe detenerse en puntos intermedios de su trayecto, la
válvula direccional deberá tener una posición neutral en la
cual el caudal de aceite del lado inferior del pistón quede
bloqueado, para soportar el peso sobre el cilindro. La
velocidad a la cual debe desplazarse la carga determina el
tamaño de la bomba. El pistón de 100 cm2 desplaza 100 cm
3
por cada cm que se levanta. El mover el cilindro 10 cm
requerirá 1000 cm3 de aceite. Si hay que moverlo a razón de
10 cm por segundo, requerirá 1000 cm3 de aceite por
segundo o 60 1/min. Como las bombas generalmente se
dimensionan en galones por minuto, será necesario dividir
60/3785 para obtener el valor en galones por minuto;
60/3785 = 16 gpm.
La potencia necesaria para accionar la bomba depende de su
caudal y de la presión a la cual funciona. La fórmula
siguiente determina el tamaño del motor eléctrico requerido,
suponiendo un rendimiento medio del 80 %.
60 x 50
Potencia (CV) = -------------- = 8.3 CV
450 x 0.8
Para impedir la sobrecarga del motor eléctrico y para
proteger la bomba y otros componentes contra una presión
excesiva, debida a sobrecargas o bloqueo, se monta una
válvula de seguridad para limitar la presión máxima del
sistema en la línea, entre la salida de la bomba y la entrada
de la válvula direccional.
Un depósito dimensionado para contener aproximadamente
de 2 a 3 veces la capacidad de la bomba en galones por
minuto y tuberías de interconexión adecuadas completarán el
sistema.
1.24. CONCLUSION
Este capítulo ha presentado una breve introducción a la
hidráulica para mostrar sus principios básicos. Naturalmente,
existen numerosas variaciones de los sistemas presentados.
Muchas dé éstas se desarrollarán, con más detalle, en los
capítulos siguientes.
1.25. CUESTIONARIO
1. Enunciar la Ley de Pascal.
2. Definir la presión.
3. Si una fuerza de mil kilos se aplica sobre una superficie de
20 cm2, ¿cuál será la presión?
4. ¿Qué quiere decir "conservación de la energía"?
5. ¿Cómo se denomina el componente de salida de un
sistema hidráulico? ¿Y el componente de entrada?
6. ¿Cuál es la fuente principal de energía?
7. Enunciar varias ventajas de un sistema hidráulico.
8. ¿Cuál es el origen de la palabra "hidráulica"?
9. ¿Qué es lo que hace que el aceite sea útil como fluido
hidráulico?
10. ¿Cuál es la presión en el fondo de una columna de aceite
de 20 metros?
11. ¿Qué puede Ud. decir sobre las presiones en los
extremos opuestos de un orificio cuando el aceite está pa-
sando a través de él?
12. ¿De qué presión se dispone habitualmente para cargar el
orificio de entrada de la bomba?
13. ¿Por qué el vacío a la entrada de la bomba debe ser lo
más bajo posible?
14. ¿Cuál es la función de una bomba?
15. ¿Por qué la pérdida de presión no es generalmente un
síntoma de mal funcionamiento de la bomba?
16. ¿Cómo se crea la presión?
17. Si tres válvulas antirretorno taradas a 7 kp/cm2 se
conectan en serie, ¿qué presión será necesaria, a la salida de
la bomba, para que el aceite las atraviese?
18. ¿Cuál es la fórmula para calcular la presión necesaria
para que un cilindro accione una carga?
19. ¿Cuál es la fórmula que da la fuerza máxima ejercida por
el vástago de un cilindro?
20. ¿Qué es lo que determina la velocidad de un actuador?
21. ¿Cuál es la relación entre la velocidad del fluido y la
fricción en la tubería?
22. ¿Qué es trabajo? ¿Qué es potencia?
23. ¿Cómo se calcula la potencia en un sistema hidráulico?
24. ¿Con qué componente empieza el diseño de un circuito
hidráulico?
25. ¿Qué determina el caudal de la bomba que se requiere en
un circuito hidráulico?
26. ¿Cuál es el área del pistón de un cilindro de 125 mm de
diámetro?
27. ¿Qué hace la válvula de seguridad?
28. ¿Qué hace una válvula direccional?
Capítulo 2
PRINCIPIOS DE LA ENERGÍA HIDRÁULICA
Este capítulo está dividido en tres secciones:
- Principios fundamentales de la hidrostática
- Principios fundamentales de la hidrodinámica
- Símbolos gráficos hidráulicos
Las dos primeras secciones desarrollarán los fundamentos de
los fenómenos físicos que se combinan para transferir
potencia en el circuito hidráulico. La tercera sección, que
ilustra los símbolos gráficos para los diagramas de los
circuitos, tratará de los tipos y funciones de líneas y
componentes. Todo este material servirá como base
fundamental para los capítulos siguientes sobre los
elementos que constituyen un sistema hidráulico.
2.1. PRINCIPIOS FUNDAMENTALES DE LA
HIDROSTÁTICA
2.1.1. Una definición precisa
Se ha observado que la palabra "hidráulica" procede del
griego y significa agua. Por consiguiente, puede suponerse
correctamente que la ciencia de la hidráulica concierne a
cualquier sistema accionado por agua. Una rueda hidráulica
o turbina (fig. 2-1), por ejemplo, es un sistema hidráulico.
Sin embargo, hay que hacer una distinción entre los sistemas
que utilizan el impacto de un líquido en movimiento y los
que son accionados comprimiendo un fluido contenido en un
recipiente cerrado; es decir, por presión.
Hablando propiamente:
*Un sistema hidráulico que utiliza el impacto o energía
cinética del líquido para transmitir energía se denomina
sistema hidrodinámico.
*Cuando el sistema es accionado por una fuerza aplicada a
un líquido contenido en un recipiente cerrado se le denomina
sistema hidrostático; siendo la presión la fuerza aplicada por
unidad de superficie, y siendo expresada como fuerza por
superficie unitaria (kp/cm2 ).
Desde luego, todas las ilustraciones indicadas hasta el
momento y, de hecho, todos los sistemas y equipos
estudiados en este manual son hidrostáticos. Todos actúan
comprimiendo un líquido contenido en un recipiente cerrado,
es decir, transfiriendo energía a través de la presión.
2.1.2. Cómo se crea la presión
La presión se origina siempre que se produce una resistencia
a la circulación de un líquido, o una fuerza que trata de
impulsar el líquido. La tendencia a suministrar caudal (o
empuje) puede originarse mediante una bomba mecánica o
simplemente por el peso del fluido.
Es un hecho bien conocido que en una columna de agua la
presión aumenta con la profundidad. La presión es siempre
la misma a una profundidad determinada, debido al peso de
la columna de agua situada sobre ella. En la época de Pascal,
un científico italiano llamado Torricelli demostró que si se
hace un agujero en el fondo de un tanque de agua, el agua se
escapa a la máxima velocidad cuando el tanque está lleno y
que el caudal disminuye a medida que baja el nivel de agua.
En otras palabras, a medida que disminuye la columna de
agua sobre la abertura, también se reduce la presión.
Torricelli pudo expresar la presión en el fondo del tanque
solamente como "carga de agua" o sea la altura en metros de
la columna de agua. Hoy en día, con el valor de kp/cm2
como unidad de presión, podemos expresar la presión en
cualquier punto de un líquido o de un gas en términos más
convenientes. Todo lo que se necesita es conocer el peso de
un dm3 del fluido.
Tal como se muestra en la figura 2-2, una columna de un
metro de agua es equivalente a 0.1 kp; una columna de agua
de 5 metros equivale a 0.5 kp/cm2, y así sucesivamente. Tal
como se indicó anteriormente, una columna de aceite de la
misma altura es equivalente, aproximadamente, a 0.09
kp/cm2 por metro.
En muchos lugares se utiliza el término "carga" para
describir la presión, sin tener en cuenta cómo ha sido creada.
Por ejemplo, se dice que una caldera crea una carga de vapor
cuando la presión se origina vaporizando agua en un
recipiente cerrado. Los términos presión y carga se utilizan,
a veces, indistintamente.
2.1.3. Presión atmosférica
La presión atmosférica no es otra cosa que la presión
ejercida por el aire de nuestra atmósfera, debida a su propio
peso. AI nivel del mar, una columna de aire de 1 cm2 de
sección, y cuya altura es la atmosférica, pesa 1.03 kp (fig. 2-
3). Así pues, la presión es 1.03 kp/cm2. A alturas más
elevadas, naturalmente la columna pesa menos y la presión
es inferior. Bajo el nivel del mar la presión atmosférica es
superior a 1 kp/cm2.
Cualquier condición donde la presión sea inferior a la
presión atmosférica se denomina vacío o vacío parcial. Un
vacío perfecto es la ausencia total de presión o sea 0 kp/cm2
absolutos.
2.1.4. El barómetro de mercurio
La presión atmosférica también puede medirse en milímetros
de mercurio (mm.Hg) mediante un aparato llamado
barómetro.
El barómetro de mercurio (fig. 2-4), inventado por Torricelli,
se considera generalmente como el punto de partida y
la inspiración de los estudios de Pascal sobre la presión.
Torricelli descubrió que cuando se invierte un tubo lleno de
mercurio, sumergiéndolo en un recipiente abierto que
contenga el mismo líquido, la columna del tubo desciende
sólo una cierta distancia. Su razonamiento fue que la presión
atmosférica sobre la superficie del líquido equilibraba el
peso de la columna de mercurio al existir un vacío perfecto
en la parte superior del tubo.
En una atmósfera normal, la columna tendrá siempre una
altura de 760 mm. Así pues, 760 mm de mercurio son otro
equivalente de la presión atmosférica.
1.5. Medida del vacío
Como el vacío es una presión inferior a la atmosférica, puede
medirse con las mismas unidades. Es decir, el vacío puede
expresarse en kp/cm2 o en mm de mercurio.
La mayoría de los vacuómetros, sin embargo, están
calibrados en mm de mercurio. Un vacío perfecto, que
equilibra una columna de mercurio de 760 mm de altura, es
760 mm. El vacío absoluto viene indicado con un cero en la
escala del vacuómetro.
2.1.6. Resumen de escalas de presión y vacío
Puesto que hemos mencionado varias formas de medir la
presión y el vacío, sería conveniente resumir las diferentes
unidades.
Tal como se indica en la figura 2-5, he aquí el resumen de
las diversas medidas:
1. Una atmósfera es una unidad de presión equivalente
a 1.03 kp/cm2 (el peso de una columna de aire de 1
cm' de sección sobre la superficie de la tierra o 760
mm de una columna de mercurio).
2. Los mm absolutos de mercurio son una escala que
empieza en el vacío perfecto (cero). La presión
atmosférica es 760 mm en esta escala.
3. Los mm manométricos de mercurio se calibran en
las mismas unidades que los mm absolutos pero sin
tener en cuenta la presión atmosférica.
4. Para pasar de mm absolutos a mm manométricos:
mm manométricos + 760 = mm absolutos
mm absolutos - 760 = mm manométricos
5. La presión atmosférica en la graduación del
barómetro es 760 mm.Hg. Comparándolo a la
escala absoluta de kg/cm2 es evidente que:
1 kg/cm2 (abs) = 760 mm.Hg
1 kg/cm2 (man) = 1 520 mm.Hg
6. Una atmósfera es equivalente a la presión ejercida
por una columna de agua de 10.3 m o de aceite de 11.2 m.
2.2. PRINCIPIOS FUNDAMENTALES DE LA
HIDRODINÁMICA
2.2.1. Caudal
El caudal origina el movimiento del actuador. La fuerza
puede transmitirse mediante presión únicamente, pero el
caudal es esencial para producir un movimiento. El caudal
del sistema hidráulico es suministrado por la bomba.
2.2.2. Cómo se mide el caudal
Existen dos maneras de medir el caudal de un líquido:
2.2.2.1. Velocidad. Es la velocidad media de las partículas
del líquido en un punto determinado o la distancia media que
las partículas recorren por unidad de tiempo. Se mide en
metros por segundo o en metros por minuto.
2.2.2.2. Caudal. Es la cantidad de líquido que pasa por un
punto, por unidad de tiempo. Los caudales grandes se miden
en litros por minuto. Los caudales pequeños pueden
expresarse en cm3 /minuto.
En la figura 2-6 puede verse la diferencia entre velocidad y
caudal. Un caudal constante de un litro por minuto aumenta
o disminuye de velocidad cuando la sección de la tubería
cambia de tamaño.
2.2.3. Caudal y velocidad
La velocidad de un actuador hidráulico, tal como se indicó
en el capítulo 1, depende siempre del tamaño del actuador y
del caudal que actúa sobre él.
Como el volumen de un actuador se expresa generalmente en
litros, hay que tener en cuenta que:
1 1/mín = 1 dm3 /min = 1000 cm
3 /min
2.2.4. Caudal y caída de presión
Cuando un líquido fluye tiene que existir un desequilibrio de
fuerzas para originar el movimiento. Por consiguiente,
cuando un líquido circula a través de una tubería de diámetro
constante, la presión será siempre inferior en un punto más
abajo de la corriente que en otro punto situado a
contracorriente. Se requiere una diferencia de presiones, o
caída de presión, para vencer el rozamiento en la línea. La
figura 2-7 muestra la caída de presión debida al rozamiento.
Las caídas de presión sucesivas (desde la presión máxima
hasta la presión cero) vienen representadas por las
diferencias de nivel del líquido en los tubos verticales
sucesivos.
2.2.5. El fluido busca un nivel
Inversamente, cuando no hay diferencia de presiones en un
líquido, la superficie del mismo permanece horizontal, tal
como se indica en la figura 2-8. Si la presión aumenta en un
punto (Vista B), el nivel del líquido sube hasta que el peso
correspondiente compensa la diferencia de presiones. La
diferencia de alturas, en el caso del aceite, es un metro por
cada 0.09 kp/cm2. Así pues, puede verse qué diferencias
adicionales de presión serán necesarias para hacer que un
líquido ascienda por una tubería venciendo la fuerza debida
al peso del líquido. A1 diseñar un circuito, debe añadirse a la
presión necesaria para mover la carga la requerida para
mover la masa de aceite y para vencer el rozamiento.
En la mayoría de las aplicaciones, un buen diseño reduce las
caídas de presión hasta el punto de que resultan
prácticamente despreciables.
2.2.6. Régimen laminar y turbulento
Idealmente, cuando las partículas de un líquido circulan por
una tubería se mueven según trayectorias rectas y paralelas.
Este régimen se denomina laminar (fig. 2-9) y se produce a
baja velocidad, en tuberías rectas. Con régimen laminar el
rozamiento es menor.
Cuando las trayectorias de las partículas no son paralelas y
se cruzan, el régimen se denomina turbulento (fig. 2-10). El
régimen turbulento se origina por cambios bruscos en la
dirección o en la sección, o por una velocidad demasiado
elevada. El resultado es un rozamiento mucho mayor que
origina calentamiento, aumenta la presión de trabajo y
malgasta potencia.
2.2.7. Teorema de Bernoulli
El fluido hidráulico, en un sistema que trabaja, contiene
energía bajo tres formas: energía cinética que depende de la
velocidad y masa del fluido, energía potencial que depende
de su posición, y energía de presión que depende de su
compresión.
Daniel Bernoulli, un científico suizo, demostró que, en un
sistema con caudal constante, la energía se transforma de
una forma u otra cada vez que se modifica el área de la
sección transversal de la tubería.
El principio de Bernoulli afirma que la suma de las energías
cinética, potencial y de presión, en distintos puntos del
sistema, debe ser constante. A1 variar el diámetro de la
tubería (fig. 2-11) la velocidad cambia. Así pues, la energía
cinética aumenta o disminuye. Ahora bien, la energía no
puede crearse ni destruirse. Por lo tanto, la variación de
energía cinética debe ser compensada por un aumento o
disminución de la energía de compresión, es decir, de la
presión.
La utilización de un tubo de Venturi en el carburador de un
automóvil (fïg. 2-12) es un ejemplo familiar del teorema de
Bernoulli. La presión del aire, que pasa a través del cuerpo
del carburador, disminuye cuando pasa por un
estrangulamiento. La disminución de presión permite que
fluya la gasolina, se vaporice y se mezcle con la corriente de
aire.
La figura 2-13 muestra los efectos del rozamiento y del
cambio de velocidad sobre la presión en una tubería.
2.3. SIMBOLOS GRAFICOS HIDRÁULICOS
Los circuitos hidráulicos y sus componentes pueden
representarse de varias formas en los planos. Según lo que la
representación deba indicar, puede ser un esquema de la
forma externa del componente, un corte seccional que
muestre su construcción interna, un diagrama gráfico que
nos indique su función, o una combinación de cualquiera de
las tres formas anteriores.
En este manual es necesario utilizar los tres tipos. En la
industria, sin embargo, los símbolos y diagramas gráficos
son los más utilizados. Los símbolos gráficos son la
"taquigrafía" de los diagramas de circuitos, utilizándose
formas geométricas sencillas que indican las funciones e
interconexiones de las líneas y de los componentes.
En el apéndice de este manual se reproduce la normalización
completa de símbolos gráficos. A continuación se exponen
brevemente los símbolos más comunes y su modo de
empleo, conjuntamente con una clasificación abreviada de
algunos componentes y líneas hidráulicas.
2.3.1. Líneas
Las tuberías, tubos y pasos hidráulicos se representan como
líneas simples (fig. 2-14). Existen tres clasificaciones funda-
mentales.
Una línea principal (trazo continuo) transporta el caudal
principal del sistema. En los diagramas gráficos incluyen la
línea de aspiración o entrada de la bomba, las líneas de
presión y las de retorno al tanque.
Una línea piloto (trazos largos interrumpidos) lleva el fluido
que se usa para controlar el funcionamiento de una válvula o
de otro componente.
Una línea de drenaje (trazos cortos interrumpidos) lleva el
aceite de drenaje al tanque.
2.3.2. Componentes giratorios
Un círculo es el símbolo básico para los componentes
giratorios. Los triángulos de energía (fig. 2-15) se colocan en
los símbolos para indicar que son fuentes de energía
(bombas) o receptores de energía (motores). Si el
componente es unidireccional el símbolo sólo tiene un
triángulo. Una bomba o motor reversible se dibuja con dos
triángulos.
2.3.3. Cilindros
Un cilindro se dibuja como un rectángulo (fig. 2-16)
indicando el pistón, el vástago y las conexiones de los
orificios. Un cilindro de simple efecto se dibuja abierto en el
extremo del vástago y solamente con un orificio de entrada
en el otro extremo. Un cilindro de doble efecto se representa
cerrado y con dos orificios.
2.3.4. Válvulas
El símbolo básico de una válvula es un cuadrado que se
denomina envoltura (fig. 2-17). Las flechas se añaden a las
envolturas para indicar el paso y dirección del caudal.
Las válvulas de posiciones infinitamente variables, tales
como las válvulas de seguridad, tienen envolturas simples.
Pueden tomar cualquier posición, entre completamente
abiertas y completamente cerradas, según el volumen de
líquido que pase por ellas.
Las válvulas de posición finita son las válvulas
direccionales. Sus símbolos contienen una envoltura
individual para cada posición que pueda adoptar la válvula.
2.3.5. Símbolo del tanque
El depósito se dibuja en forma de rectángulo (fig. 2-18)
abierto en su parte superior, en el caso de un tanque con
respiradero, y cerrado para un tanque presurizado. Por
conveniencia se pueden dibujar varios símbolos en un
diagrama, aunque haya solamente un depósito.
Las líneas de conexión se dibujan hasta el fondo del símbolo
cuando las tuberías terminan bajo el nivel del líquido en el
tanque. Si una línea termina sobre el nivel del líquido, se
dibuja sólo hasta la parte superior del símbolo.
2.4. CONCLUSIÓN
La figura 2-18 muestra el diagrama gráfico de un circuito
hidráulico completo. Obsérvese que no se trata de
representar el tamaño, forma, situación o construcción de los
componentes. El diagrama muestra la función y las
conexiones, lo que es suficiente para la mayoría de las
necesidades en la práctica.
En los capítulos que tratan sobre los elementos y sistemas se
expondrán las variaciones y precisiones sobre estos símbolos
básicos.
2.5. CUESTIONARIO
1 . ¿Qué es un dispositivo hidrodinámico?
2. ¿Cuál es la diferencia entre éste y un dispositivo hidros-
tático?
3. Citar los sistemas que obliguen a un líquido a fluir.
4. ¿Qué es una carga de presión?
5. ¿Cuánto vale la presión atmosférica medida en kp/cm2?
¿Y en mm de mercurio? ¿Y en metros de agua?
6. ¿Cómo se soporta la columna de mercurio en un baró-
metro?
7. Expresar 2 kp/cm2 marcados por un manómetro en
presión absoluta.
8. ¿Cuáles son las dos formas de medir un caudal?
9. Expresar 5 1/min en cm3 por minuto.
10. ¿Qué ocurre cuando se somete un líquido a diferentes
presiones?
11. ¿Cuántas presiones individuales hay que sumar para ob-
tener la presión de trabajo de una bomba?
12. ¿Qué es régimen laminar?
13. Citar algunas causas que originan turbulencia.
14. ¿Cuáles son las dos formas en que encontramos energía
en un fluido hidráulico?
15. ¿Cuál es el teorema de Bernoulli?
16. Indicar tres tipos de líneas de trabajo y explicar qué hace
cada una.
17. ¿Cuáles son los símbolos gráficos para una bomba y pa-
ra un motor?
18. ¿Cuántas envolturas existen en el símbolo para una vál-
vula de seguridad?
19. ¿Cuáles son las líneas de conexión que se dibujan en el
fondo del símbolo que representa el depósito?
20. ¿Cuántas posiciones tiene la válvula direccional de la
figura 2-18? ¿Y una válvula de seguridad?
Capítulo 3
FLUIDOS HIDRÁULICOS
La selección y el cuidado que se tenga con el fluido
hidráulico de una máquina tienen un efecto importante sobre
su funcionamiento y sobre la duración de sus componentes
hidráulicos. La composición y aplicación de los fluidos
hidráulicos es una ciencia aparte que está fuera del alcance
de este manual. En este capítulo se encontrarán los factores
fundamentales que intervienen en la selección de un fluido y
en su adecuada utilización.
En el capítulo 1 se ha definido un fluido como cualquier
líquido o gas. Sin embargo, el término fluido se ha
generalizado en hidráulica para referirse al líquido que se
utiliza como medio de transmisión de energía. En este
capítulo, fluido significará fluido hidráulico, bien sea un
aceite mineral adecuado o alguno de los fluidos
ininflamables, que pueden ser compuestos sintéticos.
3.1. OBJETIVOS DEL FLUIDO
El fluido tiene 4 objetivos principales: transmitir potencia,
lubrificar las piezas móviles, minimizar las fugas y enfriar o
disipar el calor.
3.1.1. Transmisión de potencia
Como medio transmisor de potencia, el fluido debe poder
circular fácilmente por las líneas y orificios de los
elementos. Demasiada resistencia al flujo origina pérdidas de
potencia considerables. El fluido también debe ser lo más
incompresible posible de forma que cuando se ponga en
marcha una bomba o cuando se actúe una válvula. la acción
sea instantánea.
3.1.2. Lubrificación
En la mayoría de los elementos hidráulicos, la lubrificación
interna la proporciona el fluido. Los elementos de las
bombas y otras piezas desgastables se deslizan unos contra
otros sobre una película de fluido (fig. 3-1 ). Para que la
duración de los componentes sea larga, el aceite debe
contener los aditivos necesarios para asegurar buenas
características antidesgaste. No todos los aceites hidráulicos
contienen estos aditivos.
Vickers recomienda la nueva generación de aceites
hidráulicos industriales que contienen cantidades adecuadas
de aditivos antidesgaste. Para el servicio hidráulico general,
estos aceites ofrecen excelente protección contra el desgaste
de bombas y motores y tienen la ventaja de una larga
duración.
Además, estos aceites proporcionan una buena
demulsibilidad así como protección contra la oxidación.
Estos aceites se conocen generalmente como "aceites
hidráulicos tipo antidesgaste".
La experiencia ha demostrado que los aceites para cárter de
automóvil tipo "MS", viscosidad SAE 10 W y 20-20 W, son
excelentes para los servicios hidráulicos severos cuando no
hay o hay muy poca agua. El único inconveniente es que sus
aditivos detergentes tienden a emulsionar el agua con el
aceite e impiden su separación, incluso durante mucho
tiempo.
Hay que observar que muy pocos problemas se han
experimentado hasta la fecha en el empleo de estos aceites
en sistemas hidráulicos de maquinaria industrial. La
condensación normal no ha sido problema.
Los aceites "MS" son especialmente recomendados para los
sistemas hidráulicos de equipo móvil (tractores,
excavadoras, asfaltadoras, etc.).
3.1.3. Estanqueidad
En muchos casos, el fluido es el único cierre contra la
presión dentro de un componente hidráulico. En la fgura 3-1
, no hay anillo de cierre entre la corredera de la válvula y el
cuerpo para reducir las fugas entre los pasajes de alta y baja
presión. El aiuste mecánico y la viscosidad del aceite
determinan el porcentaje de las fugas.
3.1.4. Enfriamiento
La circulación del aceite a través de las líneas y alrededor de
las paredes del depósito (fig. 3-2) disipa parte del calor
generado en el sistema.
3.2. REQUERIMIENTOS DE CALIDAD
Además de estas funciones fundamentales, el fluido
hidráulico puede tener otros requerimientos de calidad tales
como:
- Impedir la oxidación
- Impedir la formación de lodo, goma y barniz
- Reducir la formación de espuma
- Mantener su propia estabilidad y, por consiguiente,
reducir el costo del cambio de fluido
- Mantener un índice de viscosidad relativamente
estable entre amplios límites de temperatura
- Impedir la corrosión y la formación de picaduras
- Separar el agua
- Compatibilidad con cierres y juntas
Estos requerimientos de calidad son frecuentemente el
resultado de una composición especial y pueden no estar
presentes en todos los fluidos.
3.3. PROPIEDADES DEL FLUIDO
Consideramos a continuación las propiedades de los fluidos
hidráulicos que les permiten realizar sus funciones
fundamentales y cumplir con algunos o todos sus
requerimientos de calidad.
3.3.1. Viscosidad
La viscosidad es la medida de la resistencia del fluido a la
circulación del mismo.
Si un fluido circula con facilidad, su viscosidad es baja.
También se puede decir que el fluido es fino, o que tiene
poca consistencia o poco cuerpo.
Un fluido que circula con dificultad tiene una viscosidad
alta. Es grueso o tiene mucha consistencia.
3.3.1.1 . Viscosidad, una solución de compromiso
En cualquier máquina hidráulica la viscosidad del fluido
debe ser un compromiso. Una viscosidad elevada es deseable
para mantener la estanqueidad entre superficies adyacentes.
Sin embargo, una viscosidad demasiado alta aumenta la
fricción, lo que da como resultado:
- Elevada resistencia al flujo.
- Alto consumo de potencia debido a las pérdidas por
rozamientos.
- Elevada temperatura causada por la fricción.
- Aumento de la caída de presión debido a la
resistencia.
- Posibilidad de que el funcionamiento se haga más
lento.
- Dificultad en separar el aire del aceite en el
depósito.
Y en caso de que la viscosidad fuera demasiado baja:
- Aumento de las fugas.
- Excesivo desgaste e incluso agarrotamiento bajo
cargas elevadas que pueden producirse al destruirse
la película de aceite entre piezas móviles.
- Puede reducirse el rendimiento de la bomba
haciendo que el actuador funcione más despacio.
- Aumento de temperaturas debido a las fugas.
3.3.2. Definición de la viscosidad
Algunos métodos para definir la viscosidad, por orden
decreciente de precisión, son: viscosidad absoluta en poise,
viscosidad cinemática en centistokes, viscosidad relativa en
Segundos Universales Saybolt (SUS) y números SAE. La
viscosidad de los fluidos hidráulicos se especifica en SUS en
los Estados Unidos por razones históricas.
3.3.2.1 . Viscosidad dinámica
Considerando la viscosidad como la resistencia que ofrece
una capa de fluido para deslizar sobre otra, es fácil medir en
un laboratorio la viscosidad dinámica. La viscosidad de un
poise es, por definición, la viscosidad que tiene un fluido,
cuando la fuerza necesaria para mover una superficie de 1
cm2 sobre otra idéntica paralela (fig. 3-3) situada a 1 cm de
distancia, con una velocidad relativa de 1 cm/sg es 1 dina (en
el sistema C.G.S. la fuerza se mide en dinas y la superficie
en cm2 ).
Expresado de otra forma, la viscosidad dinámica es la re-
lación entre el esfuerzo de cizallado y la velocidad de ciza-
llado de un fluido:
esfuerzo de cizallado
Viscosidad dinámica = -----------------------------
velocidad de cizallado
dina x segundo
1 poise = --------------------------
cm2
Una unidad más pequeña de viscosidad dinámica es el
centipoise que es la centésima parte de 1 poise:
1 centipoise = 0.01 poise
3.3.2.2. Viscosidad cinemática
El concepto de viscosidad cinemática es una consecuencia de
la utilización de una columna de líquido para producir una
circulación del mismo a través de un tubo capilar.
El coeficiente de viscosidad cinemática es el resultado de
dividir el coeficiente de viscosidad dinámica por la densidad
del fluido. En el sistema C.G.S., la unidad de viscosidad
cinemática (stokes) es el cm2/seg. El centistokes es la
centésima parte del stokes.
Las viscosidades dinámica y cinemática están relacionadas
de la forma siguiente:
centipoise = centistokes x densidad
centipoise
centistokes = -------------------
densidad
3.3.2.3. Viscosidad SUS
Para la mayoría de las aplicaciones prácticas es suficiente
conocer la viscosidad relativa del fluido. La viscosidad
relativa se determina midiendo el tiempo que tarda una cierta
cantidad de líquido en fluir a través de un orificio
normalizado a una temperatura determinada. Hay varios
sistemas de medida. El método más utilizado en EE.UU. es
el viscosímetro Saybolt (fig. 3-4).
El tiempo que transcurre para fluir una cantidad dada de
líquido a través del orificio se mide con un reloj. La
viscosidad en Segundos Universales Saybolt (SUS) iguala al
tiempo transcurrido.
Naturalmente, un líquido grueso fluirá más despacio y la
viscosidad SUS será más alta que la de un líquido ligero que
fluirá más rápido. Como el aceite se vuelve más viscoso a
temperaturas bajas, y disminuye su viscosidad cuando se
calienta, la viscosidad se debe expresar con SUS
determinados a una temperatura dada. Las medidas se hacen
generalmente a 100° F o 210° F (37.8° C o 98.9° C).
Para aplicaciones industriales la viscosidad del aceite
acostumbra a ser del orden de 150 SUS a 100 °F (37.8°C).
Es una norma general que la viscosidad no debe ser nunca
inferior a 45 SUS, ni superior a 4000 SUS, con
independencia e la temperatura. Cuando se trabaja a
temperaturas extremas, el fluido debe de tener un índice de
viscosidad muy elevado (véase pág. 3-6).
3.3.2.4. Números SAE
Los números SAE han sido establecidos por la Society of
Automotive Engineers para establecer intervalos de
viscosidades SUS a las temperaturas de prueba SAE.
Los números de invierno (SW, IOW, 20W) se determinan
haciendo medidas a 0° F (-17.9° C). Los números de verano
(20, 30, 40, S0, etc.) designan el intervalo SUS a 210° F
(98.9°C). Véase la tabla 3-1 de intervalos de temperatura.
3.3.2.5. Índice de viscosidad (IV)
El índice de viscosidad es un número arbitrario que indica el
cambio de viscosidad del fluido al variar la temperatura. Un
fluido que tenga una viscosidad relativamente esta e a
temperaturas extremas tiene un índice de viscosidad (IV)
muy elevado. Un fluido que sea muy espeso a temperaturas
bajas y muy ligero a temperaturas muy elevadas tendrá un
IV muy bajo.
En la figura 3-5 se comparan aceites con índices de
viscosidad de 50 y 90, cuyas viscosidades a tres
temperaturas distintas pueden verse en el cuadro siguiente:
Obsérvese que el aceite de 90 IV es menos viscoso a -17.8°C
y más viscoso a 98.9°C que el aceite de índice 50 IV,
mientras que ambos tienen la misma viscosidad a 37.8°C.
La escala original del IV estaba comprendida entre 0 y 100,
representando las características peores y mejores
entonces conocidas. Hoy en día, los aditivos químicos y las
técnicas de refinamiento han elevado los IV de algunos
aceites a valores muy superiores a 100. Es conveniente
utilizar un fluido de IV elevado cuando se trabaja a
temperaturas extremas. No obstante, si una máquina
funciona a temperaturas relativamente constantes, el índice
de viscosidad tiene menos importancia.
3.3.2. Punto de fluidez
E1 punto de fluidez es la temperatura más baja a la que un
líquido puede fluir. Es una especificación muy importante si
el sistema hidráulico está expuesto a temperaturas
extremadamente bajas. Como regla general, el punto de
fluidez debe estar 10° C por debajo de la temperatura más
baja de utilización.
3.3.3. Capacidad de lubrificación
Es deseable que las piezas móviles del sistema hidráulico
tengan una holgura suficiente para que puedan deslizarse
sobre una película de fluido (fig. 3-6). Esta condición se
llama lubrificación completa. Si el fluido tiene una
viscosidad adecuada, las pequeñas imperfecciones de las
superficies de las piezas metálicas no se tocarán. Sin
embargo, en equipos de alta precisión, las altas presiones y
velocidades, juntamente con holguras finas, originan que la
película del fluido se haga muy delgada (fig. 3-7),
originándose entonces una condición límite de
lubrificación. Aquí puede haber contacto metal-metal entre
las crestas de las dos superficies en contacto y se necesita un
aceite con propiedades químicas especiales.
3.3.4. Resistencia a la oxidación
La oxidación o reacción química con el oxígeno es un factor
importante que reduce la vida o duración de un fluido. Los
aceites de petróleo son particularmente susceptibles a la
oxidación ya que el oxígeno se combina fácilmente con el
carbono y el hidrógeno que forman parte de la composición
química de los aceites.
La mayoría de los productos de la oxidación son solubles en
el aceite y tienen lugar reacciones entre ellos, formándose
goma, lodo o barniz, que, debido a su acidez, pueden
originar corrosión en el sistema, además de aumentar la
viscosidad del aceite.
Los productos de oxidación que son insolubles taponan
orificios, aumentan el desgaste y hacen que las válvulas se
agarroten.
3.3.5. Catalizadores
Hay siempre un número de catalizadores de oxidación en el
sistema hidráulico. El calor, la presión, los contaminantes, el
agua, las superficies metálicas y la agitación, todos ellos
aceleran la oxidación una vez que ésta empieza.
Es particularmente importante la temperatura. La experiencia
ha demostrado que a temperaturas inferiores a 57°C el aceite
se oxida muy lentamente. Pero la velocidad de oxidación (o
cualquier otra reacción química) se dobla aproximadamente
por cada aumento de 10° C.
Los fabricantes de aceite hidráulico añaden aditivos para
resistir a la oxidación, ya que muchos sistemas trabajan a
temperaturas muy altas.
Estos aditivos:
- Impiden inmediatamente que la oxidación continúe
una vez iniciada (tipo rompedor de cadena) o
- Reducen el efecto de los catalizadores de oxidación
(tipo desactivador metálico).
3.3.6. Prevención de la oxidación y de la corrosión
La oxidación (fig. 3-8) es la unión química del hierro (o
acero) con el oxígeno. La corrosión es una reacción química
entre un metal y un ácido. Los ácidos resultan de la
combinación química del agua con ciertos elementos.
Ya que es generalmente imposible impedir que el aire
atmosférico y la humedad que contiene penetren en el
sistema hidráulico, habrá siempre posibilidades de que haya
oxidación y corrosión. Durante la corrosión las partículas de
metal se disuelven y se desprenden del componente (fig. 3-
9). Tanto la oxidación como la corrosión contaminan el
sistema y originan un desgaste. También originan fugas
excesivas y puede ocurrir que los componentes se agarroten.
Pueden evitarse la oxidación y la corrosión incorporando
aditivos al fluido, que protegen las superficies metálicas de
los ataques químicos.
3.3.7. Desemulsibilidad
Pequeñas cantidades de agua pueden ser toleradas en la
mayoría de los sistemas. De hecho, algunos componentes
antioxidantes promueven un cierto grado de emulsificación,
o mezcla con el agua que se introduce en el sistema. Esto
impide que el agua se deposite y rompa la película
antioxidación. Sin embargo, demasiada agua en el aceite
facilita la acumulación de contaminantes que pueden
originar el agarrotamiento de las válvulas y la aceleración
del desgaste.
Con aditivos adecuados, puede conseguirse que un aceite
hidráulico tenga un alto grado de desemulsibilidad o
capacidad para separar el agua.
3.3.8. Uso de aditivos
Como la mayoría de las propiedades deseables de un fluido
son, por lo menos, parcialmente atribuidas a los aditivos,
podría suponerse que los aditivos comerciales pueden ser
incorporados a cualquier aceite para hacerlo más adecuado a
un sistema hidráulico. Los fabricantes, sin embargo,
previenen contra esto, diciendo que los aditivos deben ser
compatibles con el fluido base y entre sí, y más aún, que esta
compatibilidad no puede ser determinada fácilmente por el
usuario. A menos que se disponga de un laboratorio para
averiguar su compatibilidad, es mejor dejar el uso de los
aditivos al criterio del fabricante del fluido.
3.4. ACEITES MINERALES
Los aceites minerales procedentes de la destilación del
petróleo son, todavía, con mucha diferencia, la base más
utilizada para los fluidos hidráulicos. Las características o
propiedades de los aceites minerales dependen de tres
factores:
1 . El tipo de aceite crudo utilizado.
2. El grado y método de refinamiento.
3. Los aditivos utilizados.
En general, los aceites de petróleo poseen excelentes
cualidades lubrificantes. Algunos aceites crudos tienen
propiedades lubrificantes y antidesgaste superiores a lo
normal. Según su composición, algunos aceites crudos
pueden presentar una desemulsibilidad más elevada, más
resistencia a la oxidación a altas temperaturas o mayores
índices de viscosidad que otros. El aceite protege contra la
oxidación, constituye un buen aislante, disipa el calor
fácilmente y es fácil mantenerlo limpio por filtración o por
separación de los contaminantes por gravedad. La mayoría
de las propiedades deseables de un fluido, si no están ya
presentes en el aceite crudo, pueden incorporarse mediante
refinado o aditivos.
El principal inconveniente de los aceites de petróleo es que
son inflamables. En las aplicaciones en que haya peligro de
inflamación, tales como tratamientos térmicos, soldadura
eléctrica, fundición, forja y muchas otras más, hay
disponibles varios tipos de fluidos ininflamables.
3.5. FLUIDOS ININFLAMABLES
Hay tres tipos básicos de fluidos ininflamables:
1. Agua-glicol
2. Emulsiones agua-aceite
3. Fluidos sintéticos
3.5.1. Agua-glicol
Los fluidos a base de agua-glicol están formados de (1) 35 a
40 % de agua para obtener resistencia contra el fuego, (2) un
glicol (sustancia química sintética de la misma familia que
los anticongelantes permanentes, generalmente etileno o
propileno glicol), y (3) un espesador soluble en agua para
mejorar la viscosidad. También contienen aditivos para
impedir la formación de espuma, la oxidación, la corrosión y
para mejorar la lubrificación.
3.5.1.1. Características
Los fluidos tipo agua-glicol presentan, generalmente buenas
características antidesgaste con tal de que se eviten
velocidades y cargas elevadas. La densidad es superior a la
del aceite, lo que puede originar un vacío mayor en la
entrada de las bombas.
Ciertos metales como el zinc, el cadmio y el magnesio
reaccionan con los fluidos tipo agua-glicol y no pueden ser
utilizados en sistemas en que deban utilizarse pinturas y
esmaltes compatibles con estos fluidos.
La mayoría de las juntas y mangueras flexibles son
compatibles con el agua-glicol. El amianto, el cuero y los
materiales a base de corcho deben evitarse pues tienden a
absorber agua.
Algunos inconvenientes de estos fluidos son: (1) es nece-
sario medir, periódicamente, el contenido de agua y compa-
rar las pérdidas por evaporación para mantener la viscosidad
requerida, (2) la evaporación también puede causar la
pérdida de ciertos aditivos, reduciendo así la duración del
fluido y de los componentes hidráulicos, (3) la temperatura
de trabajo debe mantenerse más baja y (4) el coste
(actualmente) es superior al de los aceites convencionales.
3.5.1 .2. Cambio a agua-glicol
Cuando en un sistema se cambia el aceite mineral por agua-
glicol, debe limpiarse cuidadosamente. Las recomendaciones
incluyen sacar la pintura del interior del depósito, cambiar
las piezas recubiertas de zinc o cadmio, y cambiar algunas
conexiones de fundición. También puede ser necesario
cambiar las piezas de aluminio, a menos que hayan sido
tratadas adecuadamente, así como el equipo de accesorios
que no sean compatibles con el fluido.
3.5.2. Emulsiones agua-aceite
Son los fluidos ininflamables más económicos. Las
propiedades ininflamables dependen, como en el agua-glicol,
del contenido de agua. Además del agua y del aceite estas
emulsiones contienen emulsificadores, estabilizadores y
otros aditivos para evitar que ambos líquidos se separen.
3.5.2.1. Aceite en agua
Las emulsiones de aceite en agua contienen pequeñas gotas
de aceite especialmente refinado, dispersas en el agua. Se
dice que el agua es la fase continua, y que las características
del fluido tienen más semejanza con el agua que con el acei-
te. El fluido es muy resistente al fuego, tiene baja viscosidad
y excelentes características de enfriamiento. Pueden
incorporarse aditivos para mejorar a capacidad de
lubrificación que es relativamente baja, y para la protección
contra la oxidación. Este fluido se ha usado principalmente
en el pasado con bombas grandes de baja velocidad. Ahora
también se puede usar con ciertas bombas hidráulicas
convencionales.
3.5.2.2. Agua en aceite
Las emulsiones de agua en aceite son de uso más corriente.
Pequeñas gotas de agua están dispersas en una fase de aceite
continua. Como el aceite, estos fluidos tienen excelente
lubricidad y buena consistencia. Además, el agua dispersa
proporciona al fluido excelente capacidad de enfriamiento.
Se incorporan inhibidores de oxidación para ambas fases de
agua y aceite. También se usan aditivos antiespumantes sin
dificultad.
Estas emulsiones contienen generalmente alrededor del 40 %
de agua. Sin embargo, algunos fabricantes suministran este
fluido concentrado y el consumidor añade el agua al
instalarlo. Como en el caso del agua-glicol, es necesario
reponer el agua para mantener la viscosidad adecuada.
3.5.2.3. Otras características
Las temperaturas de funcionamiento deben mantenerse bajas
en cualquier emulsión de agua-aceite, para evitar la
evaporación y la oxidación. El fluido debe circular y no debe
verse sometido repetidamente a congelaciones y
calentamientos, pues en ese caso las fases se separarían. Las
condiciones de entrada deben elegirse cuidadosamente
debido a la mayor densidad del fluido y a su viscosidad más
elevada.
Las emulsiones parecen tener una mayor afinidad para la
contaminación y requieren especial atención en el filtrado,
incluyendo filtros magnéticos para atraer las partículas de
hierro.
3.5.2.4. Compatibilidad con juntas y metales
Las emulsiones agua-aceite son generalmente compatibles
con todos los metales y juntas que se encuentran en los
sistemas de aceites minerales.
3.5.2.5. Cambio a emulsión
Cuando en un sistema hidráulico se cambia el aceite por la
emulsión agua-aceite, debe vaciarse y limpiarse
completamente. Es esencial extraer todos los contaminantes,
como en el caso del agua-glicol, que podrían provocar la
descomposición del nuevo fluido.
La mayoría de las juntas se pueden dejar tal como están
aunque, sin embargo, las juntas móviles de butil deben
cambiarse. A1 sustituir a los fluidos sintéticos, las juntas
deben cambiarse pasando a las adecuadas para los aceites
minerales.
3.5.3. Fluidos sintéticos
Los fluidos sintéticos ininflamables son productos químicos
sintetizados en el laboratorio, que son por sí mismos menos
inflamables que los aceites de petróleo. Algunos productos
típicos de esta clase son: (1) esterfosfatos, (2) hidrocarburos
clorados, (3) fluidos sintéticos que son mezclas de 1 y 2 y
pueden contener también otros materiales.
3.5.3.1. Características
Como los productos sintéticos no contienen agua u otros
materiales volátiles, funcionan bien a altas temperaturas sin
pérdida de ningún elemento esencial. También son
adecuados para sistemas de alta presión.
Los fluidos sintéticos resistentes al fuego no funcionan bien
en sistemas a baja temperatura. Puede ser necesario
precalentar en ambientes fríos.
Además, estos fluidos son los de mayor peso específico y las
condiciones de entrada a la bomba requieren un cuidado
especial cuando se les utiliza. Algunas bombas de paletas
están construidas con cuerpos especiales con objeto de
mejorar las condiciones de entrada necesarias para impedir la
cavitación, cuando se usa un fluido sintético.
El índice de viscosidad (IV) de los fluidos sintéticos es
generalmente bajo. estando comprendido entre 30 y 50. Así
pues, deben utilizarse únicamente cuando la temperatura de
funcionamiento sea relativamente constante.
Los fluidos sintéticos son probablemente los fluidos
hidráulicos más caros que se usan en la actualidad.
3.5.3.2. Compatibilidad con 1as juntas
Los fluidos sintéticos no son compatibles con las juntas
corrientes de nitrilo (buna) y neopreno; por consiguiente, al
sustituir el aceite mineral, agua-glicol o emulsión agua-
aceite, por un fluido sintético hay que desmontar todos los
componentes para cambiar las juntas. Juntas especiales de
materiales compatibles están disponibles para sustitución en
todos los componentes Vickers. Pueden comprarse sueltas o
por juegos, o bien ordenar unidades nuevas ya adecuadas
para este tipo de fluido.
En la figura 3-10 puede verse una tabla que muestra los tipos
de materiales que son compatibles con varios fluidos
hidráulicos.
3.6. MANTENIMIENTO DEL FLUIDO
Los fluidos hidráulicos de cualquier clase no son baratos.
Además, el cambiarlos y limpiar los sistemas que no han
sido adecuadamente mantenidos, consume tiempo y dinero.
Es, pues, importante tener el adecuado cuidado con el fluido.
3.6.1. Almacenamiento y manejo
Se indican a continuación algunas reglas para impedir la
contaminación del fluido durante el almacenamiento y
manejo.
1. Almacenar los bidones apoyándolos lateralmente.
Si es posible, tenerlos en el interior o a cubierto.
2. Antes de abrir un bidón limpiar la parte superior y
el tapón de forma que no pueda entrar suciedad.
3. Usar solamente mangueras y recipientes limpios
para transferir el fluido del bidón al depósito
hidráulico. Se recomienda un grupo de trasiego
equipado con un filtro de 20 micras absolutas.
4. Utilizar una tela de malla lo más fina posible en el
tubo de llenado del depósito.
Si el fluido se mantiene limpio y libre de humedad durará
mucho más tiempo y se evitará dañar las piezas de precisión
de los componentes hidráulicos.
3.6.2. Cuidado durante el funcionamiento
Los cuidados adecuados para un fluido hidráulico durante el
funcionamiento incluyen:
1 . Impedir la contaminación manteniendo el sistema estanco
y utilizando filtros de aire y aceite adecuados.
2. Establecer intervalos de cambio de fluido adecuados para
no dejar que éste se descomponga. En caso necesario, el
suministrador puede probar periódicamente muestras en el
laboratorio para establecer la frecuencia de cambio.
3. Mantener el depósito adecuadamente lleno para aprove-
char sus características de disipación de calor e impedir que
la humedad se condense en las paredes interiores.
4. Reparar inmediatamente las fugas.
3.7. CUESTIONARIO
1. Mencionar cuatro funciones primarias de un fluido
hidráulico.
2. Mencionar cuatro propiedades de un fluido
hidráulico.
3. Definir qué es viscosidad. ¿Cuál es su unidad más
corriente?
4. ¿Cómo afecta el frío a la viscosidad? ¿Y el calor?
5. Si la viscosidad es demasiado elevada, ¿qué puede
ocurrirle al sistema?
6. ¿Qué es el índice de viscosidad? ¿Por qué es
importante?
7. ¿Cuál es el tipo de fluido hidráulico que tiene mejor
lubrificación?
8. Citar algunos catalizadores a la oxidación del aceite
hidráulico.
9. ¿Cómo se impiden la formación de orín y la corrosión?
10. ¿Qué es desemulsibilidad?
11. ¿Cuáles son los tres factores que determinan las propie-
dades de un aceite hidráulico?
12. ¿Cuáles son los tres tipa básicos de fluidos
inintlamables?
13. ¿Qué tipo de fluido hidráulico no es compatible con las
juntas de buna o neopreno?
14. ¿Cuál es el mejor tipo de fluido ininflamable para
trabajar a temperaturas muy elevadas?
15. ¿Cómo afecta el peso específico de un fluido a las
condiciones en la entrada de una bomba?
16. ¿Cuál es el factor más importante para el buen
mantenimiento de un fluido?
Capítulo 4
TUBERÍAS HIDRÁULICAS Y ESTANQUEIDAD
Este capítulo se compone de dos partes. La primera es una
descripción de la instalación de tuberías en un sistema
hidráulico, los tipos de líneas y de conexiones utilizadas para
transportar el fluido entre las bombas, válvulas, actuadores,
etc. La segunda parte trata de la prevención de fugas y de los
elementos de estanqueidad y su composición, utilizados en
las aplicaciones hidráulicas.
4.1. TUBERIAS HIDRÁULICAS
Tuberías es un término general que engloba las diferentes
clases de líneas de conducción que transportan el fluido
hidráulico entre los componentes así como las conexiones
utilizadas entre los conductores. Los sistemas hidráulicos
utilizan principalmente, hoy en día, tres tipos de líneas de
conducción: tubos gas, tubos milimétricos* y mangueras
flexibles. Actualmente los tubos gas son los menos costosos
de los tres, mientras que los tubos milimétricos y las
mangueras tlexibles son más convenientes para hacer
conexiones y para el mantenimiento de las instalaciones. En
el futuro aparecerá probablemente la tubería de plástico que
se está usando gradualmente en ciertas aplicaciones.
4.1.1. Tubos gas
Los tubos de hierro y de acero fueron los primeros
conductores que se utilizaron en los sistemas hidráulicos
industriales y todavía se usan ampliamente debido a su bajo
coste. La tubería de acero sin soldadura se recomienda para
los sistemas hidráulicos, con su interior libre de óxido,
cascarilla y suciedad.
4.1 .1 .1 . Dimensiones de los tubos gas
Los tubos gas y sus accesorios se clasifican según sus
dimensiones nominales y el espesor de sus paredes.
Originalmente, un tubo gas de tamaño determinado tenía un
solo espesor de pared y el tamaño indicado era el diámetro
interior. Más tarde, los tubos gas se fabricaron con distintos
espesores de pared: estándar, grueso y extragrueso (fig. 4-1).
No obstante, el diámetro exterior no se modificaba. Para
aumentar el espesor de la pared se modificaba el diámetro
interior. Por lo tanto, el diámetro nominal de un tubo gas por
sí solo no indicaba más que el tamaño de rosca para las
conexiones.
4.1.1.2. Espesor de los tubos gas
Actualmente, el espesor de la pared se expresa como una
relación de números (schedule). Los números "schedule" son
especificados por el American National Standards Institute
(ANSI) desde 10 hasta 160 (fig. 4-2) y cubren 10 conjuntos
de grueso de pared.
Como comparación, la relación 40 corresponde muy
aproximadamente al espesor estándar. La relación 80
corresponde al espesor grueso. La relación 160 cubre los
tubos con mayor espesor de pared en este sistema.
La antigua clasificación de espesor extragrueso es
ligeramente más gruesa que la relación 160. Las figuras 4-1
y 4-2 muestran dimensiones de tubos de hasta 12"
(nominales) y existen tamaños mayores. La relación 10 que
no aparece en la tabla de la fig. 4-2 se utiliza únicamente
para tubos mayores, de más de 12" (30.48 cm).
En Europa, las dimensiones de este tipo de tubería vienen
determinadas por las normas DIN 2440, 2441 e ISO R-65.
4.1.1.3. Cierre de los tubos gas
Las roscas de los tubos gas son cónicas (fig. 4-3) al contrario
de las de los tubos milimétricos y algunas conexiones de
mangueras que tienen roscas cilíndricas. Las uniones se
cierran mediante una adaptación entre las roscas macho y
hembra al apretar la tubería. Esto crea uno de los principales
inconvenientes de los tubos gas. Cuando una unión se
rompe, debe apretarse más el tubo para volver a cerrar.
Frecuentemente esto requiere sustituir parte del tubo con
secciones algo más largas. Sin embargo, esta dificultad ha
sido superada en cierto modo, utilizando cinta de teflón u
otros elementos para volver a cerrar las uniones de los tubos.
Se requieren tapones especiales para roscar los tubos y
accesorios del sistema hidráulico. Las roscas son del tipo de
"cierre seco" que difieren de las roscas estándar en que las
bases y crestas de las roscas encajan antes que los flancos
evitándose así una holgura espiral (fig. 4-3).
Como los tubos sólo pueden tener roscas macho, y no se
doblan, se utilizan distintos tipos de accesorios para hacer las
conexiones y cambiar de dirección (fig. 4-4). La mayoría de
los accesorios llevan roscas hembras para acoplarlos al tubo,
aunque algunos llevan roscas machos para adaptarse a otros
accesorios o a los orificios de entrada de los componentes
hidráulicos.
Los numerosos accesorios necesarios en un circuito con
tuberías presentan muchas oportunidades para fugas,
particularmente cuando aumenta la presión. Se utilizan
conexiones roscadas hasta 1 "1 /4 Cuando se necesitan tubos
mayores, se utilizan bridas soldadas al tubo (fig. 4-5) con
juntas planas o tóricas para conseguir la estanqueidad.
4.1.2. Tubos milimétricos
Los tubos de acero sin soldadura presentan ventajas
significativas sobre los tubos gas en los sistemas hidráulicos.
Los tubos milimétricos pueden doblarse de cualquier forma,
son más fáciles de trabajar y pueden utilizarse una y otra vez
sin problemas de cierre. Generalmente el número de uniones
es reducido.
En los sistemas de bajo volumen, aguantan presiones y
caudales más elevados con dimensiones y pesos menores.
Sin embargo son más caros, así como también lo son los
accesorios necesarios para las conexiones.
4.1.2.1 . Dimensiones de los tubos milimétricos
Las especificaciones de los tubos milimétricos se refieren
siempre al diámetro exterior. Las medidas disponibles varían
en incrementos de 1 / 16" desde 1 /8" hasta 1" y en
incrementos de 1 /4" desde 1 ". En los tubos métricos van
desde 4 hasta 80 mm (véase fig. 4.23). Hay disponibles
varios gruesos de pared para cada tamaño. El diámetro
interior, tal como se observó anteriormente, es igual al
diámetro exterior menos dos veces el espesor de la pared.
4.1.2.2. Accesorios para los tubos milimétricos
Los tubos milimétricos nunca se cierran mediante rosca sino
mediante varios tipos de accesorios (fig. 4-6). Algunos de
estos accesorios hacen el cierre mediante contacto metal-
metal y son conocidos como accesorios de compresión y
pueden ser abocardados o sin abocardar. Otros accesorios
utilizan juntas tóricas o similares. Además de los accesorios
roscados hay también disponibles bridas para soldar a los
tubos de mayor tamaño.
1. Acoplamientos abocardados. El acoplamiento abocardado
(o unión simple) de 37 grados es el más corriente para los
tubos que pueden ser abocardados. Los acoplamientos
indicados en la figura 4-6 A-B efectúan el cierre apretando,
mediante una tuerca, el extremo abocardado del tubo contra
una superficie troncocónica existente en el cuerpo del
acoplamiento. Un manguito o prolongación de la tuerca so-
porta el tubo para amortiguar las vibraciones. El acopla-
miento estándar de 45 grados se utiliza para presiones muy
elevadas. Hay también un diseño con roscas macho en la
tuerca de compresión.
2. Acoplamientos de compresión con camisa o con junta
tórica. Para los tubos que no pueden ser abocardados, o
simplemente para evitar la necesidad de hacerlo, existen
varios acoplamientos de compresión con camisa o con anillo
cortante (vistas D y F) y con junta tórica "O" (vista E). El
acoplamiento con junta tórica permite variaciones con-
siderables en la longitud y en la rectitud de corte del tubo.
3. Acoplamiento de rosca cilrí2drica con junta tórica.
Cuando el componente hidráulico está equipado con orificios
de rosca paralela, pueden utilizarse accesorios tales como los
indicados en la figura 4-6 C. Son ideales para aplicaciones
de alta presión puesto que el cierre se aprieta más a medida
que aumenta la presión.
4.1.3. Mangueras flexibles
Las mangueras flexibles se utilizan cuando las líneas
hidráulicas están sometidas a movimiento, por ejemplo, las
líneas que van a un motor de cabezal de taladro. La
manguera se fabrica con capas de caucho sintético y
trenzado de tejido o alambre (fig. 4-7). El trenzado de
alambre permite naturalmente presiones más elevadas.
La capa interna de la manguera debe ser compatible con el
fluido utilizado. La capa externa es generalmente de caucho
para proteger el trenzado. La manguera debe tener, como
mínimo, tres capas, siendo una de ellas el trenzado, o puede
tener múltiples capas según la presión de funcionamiento.
Cuando hay capas múltiples de alambre, pueden ir alternadas
con capas de caucho o pueden estar colocadas directamente
unas encima de las otras.
4.1.3.1. Conexiones para mangueras
Los accesorios para mangueras son esencialmente los
mismos que para los tubos. Existen conexiones para los
extremos de la mayoría de las mangueras, aunque hay
uniones roscadas y enchufes rápidos que pueden volver a
utilizarse. Es generalmente deseable conectar los extremos
de las mangueras con uniones simples que tengan tuercas
giratorias. La unión está generalmente montada en el
conector pero puede también incorporarse a la manguera.
Una manguera corta puede roscarse a un conector rígido en
un extremo antes de conectar el otro. Una manguera nunca
hay que instalarla torcida.
4.1.3.2. Consideraciones de presión y caudal
Las normas industriales recomiendan un factor de seguridad
por lo menos de 4 a 1 y hasta de 8 a 1 en capacidad de
presión. Si la presión de funcionamiento es de 0 a 70 kp/cm2,
debe haber un factor de seguridad de 8 a 1 . De 70 kp/cm2 a
175 kp/cm2 , el factor de seguridad debe ser de 6 a 1 y para
presiones superiores a 175 kp/cm2 se recomienda un factor
de 4 a 1 .
presión de ruptura (PR)
Factor de seguridad (FS) = ----------------------------------------
presión de funcionamiento (PF)
En cualquier tubo de tamaño nominal, cuanto mayor sea el
número normalizado correspondiente (schedule numver)
mayor debe ser el espesor de las paredes y la presión de
ruptura. Esto hace disminuir la sección interior y aumentar la
velocidad del fluido.
Así pues, es necesario comprobar que el conductor tenga el
diámetro interior requerido para que el caudal circule a la
velocidad recomendada así como un espesor de pared sufi-
ciente para suministrar capacidad de presión.
La figura 4-8 es un monograma que puede utilizarse para: 1 )
Seleccionar el diámetro interno adecuado del conductor si se
conoce el caudal. 2) Determinar exactamente cuál será la
velocidad si se conocen el caudal y las dimensiones de la
tubería. Para utilizar este monograma hay que colocar una
regla que una los dos valores conocidos y leer el valor
desconocido en la tercera columna.
Los fabricantes de tuberías suelen suministrar datos sobre las
capacidades de presión y tamaños de sus conducciones. Una
tabla típica se muestra en la figura 4-9.
4.1.4. Consideraciones sobre el material
Si el coste no es prohibitivo y el diámetro interior es
suficiente para el caudal previsto, es preferible utilizar tubos
milimétricos en lugar de tubos gas, debido a su mejor cierre,
facilidad de reemplazo y mantenimiento más rápido. Las
mangueras flexibles no se utilizan únicamente en las
aplicaciones móviles sino que también pueden utilizarse en
distancias cortas y para amortiguar puntas de presión.
Las uniones hidráulicas (racores) deben de ser de acero,
excepto en las líneas de aspiración, retorno y drenaje, donde
puede utilizarse hierro maleable. Los tubos y accesorios
galvanizados deben evitarse debido a que el cinc puede
reaccionar con algunos aditivos del aceite. Deben también
evitarse los tubos de cobre porque las vibraciones del
sistema hidráulico pueden endurecer el cobre y originar
fisuras en las uniones abocardadas. Además, el cobre
disminuye la vida del aceite.
4.1.5. Recomendaciones de instalación
Una instalación adecuada es esencial para evitar fugas,
contaminación del sistema y funcionamiento ruidoso. Se
indican a continuación algunas recomendaciones generales
de instalación.
4.1.5.1. Limpieza
El aceite sucio es la principal causa de fallos en los sistemas
hidráulicos. Los componentes de precisión están
particularmente sujetos a daños, debidos a residuos en las
instalaciones con tuberías. Por lo tanto, es necesario
limpiarlas bien. Cuando se realizan operaciones tales como
cortar, abocardar y roscar, hay que comprobar siempre que
no queden partículas que podrían contaminar el aceite.
El chorreado con arena, el desengrase y el decapado son
métodos recomendados para tratar los tubos gas y
milimétricos antes de su instalación. Puede obtenerse
información adicional sobre estos procesos de los fabricantes
de componentes (fig. 4-10) y de los distribuidores del equipo
de limpieza comercial.
4.1.5.2. Soportes
Las líneas hidráulicas largas están sometidas a vibraciones y
puntas de presión cuando el fluido que circula por las
mismas se detiene bruscamente o cambia su sentido. El
aflojamiento o endurecimiento de las juntas puede originar
fugas. Por consiguiente, a intervalos, las líneas deben tener
soportes con abrazaderas o con bridas. Generalmente se
aconseja que estos soportes estén separados de los accesorios
para facilitar el montaje y desmontaje. Materiales blandos,
tales como la madera y el plástico, son los más adecuados
para este propósito.
4.1.5.3. Funciones de las líneas hidráulicas
Hay numerosas consideraciones especiales, relativas a la
función de las líneas, que deben mencionarse.
1. El orificio de entrada de la bomba es generalmente mayor
que el de salida debido a que debe acomodar un tubo de
diámetro mayor. Es una buena práctica mantener este
tamaño en toda la longitud de la línea de entrada a la bomba
y que ésta sea lo más corta posible. Hay que evitar los codos
y reducir al mínimo el número de accesorios en la línea de
entrada.
2. Como generalmente existe un vacío a la entrada de la
bomba, las conexiones en la línea de entrada deben de ser
estancas. De otra forma, podría entrar aire en el sistema.
3. Las restricciones en las líneas de retorno crean un
aumento de presión, lo que origina una energía
desperdiciada. Hay que utilizar tamaños de línea adecuados
para asegurar caudales bajos. Aquí, deben también reducirse
al mínimo los accesorios y los codos.
4. Las líneas de retorno no estancas pueden también dejar
que entre aire en el sistema por aspiración. Estas líneas
deben de terminar debajo del nivel de aceite para impedir
que haya turbulencia y aeración.
5. Las líneas situadas entre los actuadores y las válvulas
reguladoras de velocidad deben ser cortas y rígidas para
control preciso del caudal.
4.1.5.4. Instalación de las mangueras
Las mangueras flexibles deben de instalarse de forma que no
se tuerzan durante el funcionamiento de la máquina. Debe
dejarse siempre una holgura que las permita moverse
libremente y facilite la absorción de las puntas de presión.
Deben también evitarse torsiones en las mangueras y bucles
demasiado largos. Pueden ser necesarias abrazaderas que
eviten friccionamiento o entrelazamiento con piezas móviles.
Las mangueras sometidas a frotamiento deben estar
protegidas por fundas o dispositivos protectores similares.
4.2. CIERRES Y FUGAS
Las fugas excesivas en cualquier parte de un circuito hidráu-
lico reducen el rendimiento y originan pérdidas de potencia o
crean problemas de mantenimiento o ambas cosas.
4.2.1. Fugas internas
La mayoría de los componentes de los sistemas hidráulicos
se construyen con holguras de funcionamiento que permiten
un cierto grado de fugas internas. Desde luego, las piezas
móviles deben ser lubrificadas y pueden diseñarse pasajes de
fugas destinados para este fin. Además, algunos controles
hidráulicos tienen incorporados pasajes internos de fugas
para impedir oscilaciones de los pistones y correderas de las
válvulas.
Las fugas internas, naturalmente, no son una pérdida de
fluido. Este vuelve eventualmente al depósito ya sea me-
diante una línea de drenaje externo o por un pasaje interno
en el componente.
Se producen también fugas internas adicionales cuando los
componentes empiezan a desgastarse y aumentan las
holguras entre los elementos. Este aumento de fugas internas
puede reducir el rendimiento de un sistema haciendo que el
trabajo se realice más lentamente y generando calor.
Finalmente, si las fugas internas se hacen lo suficientemente
elevadas, todo el caudal de la bomba puede pasar al tanque a
través de la misma y la máquina deja de funcionar.
4.2.2. Fugas externas
Las fugas externas son antiestéticas y pueden causar serios
problemas. Son costosas porque el aceite que fuga raramente
se puede aprovechar. El principal motivo de las fugas
externas son las instalaciones no adecuadas. Las uniones
pueden fugar porque no se montaron adecuadamente o
porque las vibraciones y las juntas de presión las aflojaron.
El no conectar las líneas de drenaje, una presión de
funcionamiento excesiva y contaminación en el fluido, son
todas causas corrientes que dañan las uniones.
4.2.3. Estanqueidad
La estanqueidad se necesita para mantener la presión, para
impedir la pérdida de fluido y la contaminación. Hay varios
métodos para hacer estancos los componentes hidráulicos,
según se trate de estanqueidad positiva o no positiva, o si la
aplicación es de estanqueidad estática o dinámica, o de la
presión de funcionamiento y de otros factores.
Una estanqueidad positiva impide que la más mínima
cantidad de fluido se escape. Una estanqueidad no positiva
permite que una pequeña cantidad de líquido escape, tal
como en la holgura de una corredera en su alojamiento, para
suministrar una película lubricante.
4.2.3.1. Estanqueidad estática
Un elemento de estanqueidad comprimido entre dos piezas
rígidamente unidas se clasifica como una estanqueidad
estática. El mismo elemento puede moverse algo cuando la
presión es alternativamente aplicada o quitada pero las
piezas unidas no se mueven con relación una a otra. Algunos
ejemplos de elementos de estanqueidad estáticos son las
juntas de montaje, las juntas de las bridas (fig. 4-11), los
acoplamientos con anillos de compresión (fig. 4-6) y las
juntas tóricas "0". Las aplicaciones de estanqueidad estática
son relativamente simples, no tienen desgaste y no originan
problemas si se montan adecuadamente.
4.2.3.2. Estanqueidad dinámica
Los elementos de estanqueidad dinámicos se instalan entre
piezas que se mueven una en relación con la otra. Así, por lo
menos una de las piezas debe frotar contra el cierre y, por
consiguiente, los elementos dinámicos están sometidos a
desgaste. Esto hace, naturalmente, que su diseño y aplicación
sean más difíciles.
4.2.3.3. Juntas tóricas "O"
Probablemente el elemento de estanqueidad más
generalmente utilizado en los modernos equipos hidráulicos
es la junta tórica "O" (fig. 4-12). Una junta tórica es un cierre
de caucho sintético moldeado que tiene una sección recta
redonda en estado de reposo.
La junta tórica "O" se instala en una ranura anular meca-
nizada en una de las piezas componentes. En la instalación,
esta junta es comprimida tanto en el diámetro interno como
en el externo. Es un elemento dinámico actuado tanto por
presión como por compresión. La presión fuerza la junta
contra uno de los lados de su ranura y hacia afuera en ambos
diámetros. De esta manera se efectúa un cierre positivo
contra dos superficies anulares y una superficie plana. El
aumento de presión da como resultado una fuerza mayor
contra la superficie de cierre. La junta, por consiguiente, es
capaz de contener presiones extremadamente altas.
Las juntas tóricas "O" se utilizan principalrnente en
aplicaciones estáticas. Sin embargo, también se encuentran
en aplicaciones dinámicas en las que hay un pequeño
movimiento alternativo entre las piezas. Generalmente no
son adecuadas para la estanqueidad de piezas giratorias
(ejes) o para aplicaciones en las que la vibración constituye
un problema.
4.2.3.4. Anillos de apoyo
A altas presiones, la junta tórica tiene tendencia a penetrar
por extrusión en la holgura entre las piezas que se acoplan
(fig. 4-13). Esto puede no ser un inconveniente en una
aplicación estática, pero esta extrusión puede originar un
desgaste acelerado en una aplicación dinámica. Se impide la
extrusión instalando un anillo de apoyo rígido en la ranura
de la junta tórica opuesta a la presión. Si la presión actúa
alternativamente a ambos lados de la junta tórica pueden
utilizarse anillos de apoyo en ambos lados.
4.2.3.5. Anillos cortados en torno
En muchas aplicaciones estáticas, el cierre cortado en torno
(fig. 4-14) es un sustituto aceptable de una junta tórica. Son
más baratos que éstas, siendo cortados de tubos extruidos en
lugar de moldeados individualmente. Hay aplicaciones en las
que los anillos torneados y las juntas tóricas son
intercambiables si se han fabricado del mismo material.
4.2.3.6. Anillos del tipo "T"
Estos anillos (fig. 4-1 5) se usan ampliamente para cerrar los
pistones de los cilindros, los vástagos de los pistones y otras
piezas de movimiento alternativo. Se construyen de caucho
sintético moldeado en forma de T y reforzados a ambos
lados por anillos de apoyo. El borde de cierre es redondeado
y cierra de forma muy parecida a la de una junta tórica.
Evidentemente, este elemento de estanqueidad no tiene
tendencia a girar como las juntas tóricas. El anillo "T" no
está limitado a las aplicaciones de carrera corta.
4.2.3.7. Juntas de labio
Las juntas de labio son elementos de estanqueidad dinámicos
de baja presión utilizados principalmente para ejes
giratorios.
Una junta de labio típica (fig. 4-16) consta de un alojamiento
metálico estampado para soporte y alineamiento y caucho
sintético o cuero en forma de labio que se adapta al eje.
Frecuentemente hay un muelle que mantiene el labio en
contacto con el eje.
Las juntas de labio son cierres positivos. Hasta cierto punto,
la presión ayuda a la estanqueidad. La presión sobre el labio
(o el vacío detrás del mismo) produce una mayor adherencia
de éste sobre el eje consiguiéndose una estanqueidad mayor.
La alta presión no puede contenerse debido a que el labio no
tiene apoyo.
En algunas aplicaciones, la cámara que está siendo cerrada
pasa alternativamente de la condición de presión a la de
vacío. Para estas aplicaciones existen juntas de labio dobles
que impiden que el aire o la suciedad entren y que el aceite
salga.
4.2.3.8. Juntas de vaso
Una junta de vaso (fig. 4-17) es un elemento de estanqueidad
positivo usado en muchos pistones de cilindros. Es actuado
por la presión en ambas direcciones. El cierre se realiza
forzando la junta hacia afuera contra la pared del cilindro.
Este tipo de junta tiene apoyo y resiste a presiones muy
elevadas.
Las juntas de labio tienen que estar bien ajustadas y
apretadas. El pistón no es en realidad más que una placa de
apoyo y retenes que mantienen las juntas de vaso.
4.2.3.9. Anillos de segmento
Los anillos de segmento (fig. 4-18) se fabrican de hierro
colado o de acero, pulimentado y algunas veces cromado.
Ofrecen una resistencia mucho menor al movimiento que las
juntas sintéticas o de cuero. Se encuentran frecuentemente en
los pistones de los cilindros.
Un anillo de segmento no constituye necesariamente un
cierre positivo. Este se hace más positivo cuando se colocan
varios anillos unos al lado de otros. Son capaces de resistir
altas presiones.
4.2.3.10. Empaquetaduras de compresión
Las empaquetaduras de compresión (fig. 4-19) fueron uno de
los primeros dispositivos de estanqueidad utilizados en los
sistemas hidráulicos y se utilizan en aplicaciones tanto
estáticas como dinámicas. Las empaquetaduras están siendo
substituidas en la mayoría de las aplicaciones estáticas por
juntas tóricas o juntas torneadas.
La mayoría de las empaquetaduras usadas hoy en día están
moldeadas o perfiladas en forma de U o de V, y se utilizan
empaquetaduras múltiples para obtener un cierre más
efectivo. Las empaquetaduras se comprimen apretando
contra ellas una brida. El ajuste adecuado es crítico, porque
un apriete excesivo aceleraría el desgaste. En algunas
aplicaciones las empaquetaduras se mantienen apretadas
mediante un muelle para conseguir la fuerza correcta y
disminuir el desgaste.
4.2.3.1 1. Retenes de cierre
Un retén de cierre (fig. 4-20) se utiliza en aplicaciones en las
que se necesita una estanqueidad a alta presión alrededor de
un eje giratorio. La estanqueidad se consigue mediante un
contacto constante entre dos superficies planas,
frecuentemente carbono y acero. El elemento estacionario se
fija al cuerpo del componente y la otra superficie se coloca
en el eje y gira contra la superficie estacionaria. Una de las
dos piezas tiene generalmente un muelle para mejorar el
contacto inicial y absorber el desgaste. La presión aumenta
la fuerza del contacto y mejora la estanqueidad. Como puede
suponerse, la multiplicidad de piezas y la necesidad de un
mecanizado de precisión de las superficies de cierre hacen
que este tipo de cierre sea muy costoso.
4.2.3.12. Juntas planas
Las juntas planas son dispositivos para conseguir la
estanqueidad de superficies planas. Los primeros diseños de
bridas de conexión y de las válvulas para montar sobre una
placa base utilizaban este tipo de juntas. Hoy en día, han sido
ampliamente substituidas en los equipos hidráulicos por
juntas tóricas, anillos torneados o empaquetaduras de
compresión.
4.2.3.13. Materiales para estanqueidad
El cuero, el corcho y las obras impregnadas fueron los
primeros materiales de estanqueidad para los equipos
hidráulicos. Se utilizan ampliamente hasta después del
desarrollo del caucho sintético, durante la segunda guerra
mundial. El caucho natural se usa raramente como material
de cierre porque se hincha y se deteriora en presencia del
aceite.
Los cauchos sintéticos (elastómeros) son, en su mayoría,
compatibles con el aceite. Los elastómeros pueden
fabricarse, según muchas composiciones, para satisfacer
condiciones de trabajo. Hoy en día, la mayoría de los
elementos de estanqueidad del equipo hidráulico se fabrican
con uno de los siguientes elastómeros: Buna-N (nitrilo),
silicona, neopreno, teflón o butil.
Cierres de cuero. El cuero ha sobrevivido a la revolución de
los cierres elastómeros porque es muy económico y muy
resistente. Muchas juntas de labio y de vaso y muchas
empaquetaduras de compresión se fabrican todavía de cuero.
Algunos cierres de cuero se impregnan con un elastómero
para mejorar su capacidad de estanqueidad.
Los inconvenientes del cuero son su tendencia a hacerse
ruidoso cuando está seco y su gama limitada de
temperaturas. Pocos cierres de cuero pueden funcionar a
temperaturas superiores a 74°C, que es insuficiente para
muchos sistemas modernos. Su límite absoluto de
temperatura parece estar situado alrededor de 93° C. No
obstante, el cuero funciona bien a temperaturas
extremadamente bajas hasta -54° C.
Buna-N. El elastómero Buna-N (o nitrilo) es, con mucho, el
material más utilizado en los sistemas hidráulicos modernos.
Es razonablemente resistente, su desgaste es moderado y es
económico. Hay muchas composiciones compatibles con el
aceite mineral, la mayoría de las cuales pueden moldearse
fácilmente en cualquier forma.
El Buna-N tiene un intervalo de temperaturas
razonablemente amplio y conserva sus propiedades de cierre
desde -40° C hasta 110° C. No se deforma a temperaturas
moderadamente elevadas al estar en contacto con la mayoría
de los aceites minerales, cuando otros materiales tienden a
hincharse. No obstante, se deforma con algunos fluidos
sintéticos.
Silicona. La silicona es un elastómero con un intervalo de
temperaturas mucho más amplio que el Buna-N y es, por lo
tanto, un material popular para retenes de ejes giratorios y
para elementos de estanqueidad estáticos en sistemas que
funcionan desde temperaturas muy bajas a muy altas.
Mantiene su forma y su capacidad de cierre hasta -51°C y es
generalmente satisfactoria hasta 200 ó 260° C.
A temperaturas elevadas la silicona tiende a absorber el
aceite y a hincharse. Esto, no obstante, no es un
inconveniente particular en las aplicaciones estáticas, pero la
silicona no se utiliza para los cierres alternativos porque se
rasga y se desgasta con mucha facilidad. Los elementos de
silicona son compatibles con la mayoría de los fluidos y
todavía más con los fluidos inflamables que con el petróleo.
Neopreno. El neopreno fue uno de los primeros elastómeros
que se utilizaron en los sistemas hidráulicos. Es un material
resistente, pero de un uso limitado para los sistemas que
utilizan aceites minerales a temperaturas bajas. No conviene
utilizarlo a temperaturas superiores a 65°C pues tiene
tendencia a vulcanizarse.
Plásticos, flúor-plásticos y flúor elastómeros. Varios
materiales de estanqueidad se sintetizan combinando el flúor
con un elastómero o plástico. Incluyen materiales como el
"Kel-F", "Viton A" y el "teflón". El nylon es otro material
sintético con propiedades similares. Se utiliza
frecuentemente en combinación con los elastómeros para
reforzarlos. Tanto el nylon como el teflón se utilizan también
en forma de cinta para cerrar las uniones de las tuberías.
Todos tienen una resistencia elevada al calor (hasta 260°C) y
son compatibles con la mayoría de los fluidos.
4.2.4. Prevención de las fugas
Las tres consideraciones generales para evitar las fugas son:
1. Diseño que disminuya esta posibilidad, vgr. montaje sobre
placas base.
2. Instalaciones adecuadas.
3. Control de las condiciones de funcionamiento.
Vamos a analizar brevemente cada uno de estos casos.
4.2.4.1. Diseños para impedir fugas
Ya hemos visto anteriormente que los diseños que utilizan
roscas cilíndricas y bridas soldadas son menos susceptibles a
las fugas que las conexiones para tubos gas. La instalación
de las válvulas con tuberías, conectadas permanentemente a
los bloques de montaje, ha supuesto una mejora notable para
evitar fugas así como para facilitar el mantenimiento de las
válvulas (fig. 4-21). La mayoría de las válvulas que se
fabrican actualmente son de este tipo.
Otro progreso posterior ha sido el empleo de módulos (fig.
4-22). Algunos están taladrados y otros combinan placas de
montaje con placas intermedias (montadas formando un
módulo, unas encima de otras) con interconexiones entre las
válvulas, eliminándose así muchas conexiones externas.
4.2.4.2. Instalación adecuada
Las recomendaciones para la instalación se mencionaron
anteriormente en este capítulo. Una instalación cuidadosa, no
pinchando o torciendo los cierres, asegura usualmente una
conexión a prueba de fugas. Los fabricantes recomiendan
frecuentemente unas herramientas especiales para la
colocación correcta de los retenes tipo labio de los ejes, con
objeto de asegurarse de que se han instalado correctamente.
Las vibraciones y esfuerzos excesivos en las juntas, que son
las causas más corrientes de las fugas externas, también se
evitan mediante una buena práctica de instalación.
4.2.4.3. Condiciones de funcionamiento
El control de las condiciones de funcionamiento puede ser
muy importante para la duración de los cierres. Se indican
a continuación algunos factores que ayudan a impedir las
fugas.
1. Evitar la contaminación. Una atmósfera contaminada con
humedad, suciedad o cualquier material abrasivo acorta la
duración de los retenes de los ejes y de los vástagos
expuestos al aire. En las atmósferas contaminadas deberían
utilizarse sistemas protectores. Igualmente importante es
utilizar un fluido limpio para evitar daños en los cierres
internos.
2. Compatibilidad de1 fluido. Algunos fluidos ininflamables
atacan y desintegran algunos cierres elastómeros. De hecho,
hay pocos cierres que sean compatibles con todos los
fluidos. Debe consultarse siempre al fabricante cuando haya
alguna duda sobre el cambio de cierres en el caso de que
haya que efectuarse un cambio de fluido (véase capítulo 3).
Los aditivos del fluido (añadidos por el usuario de la
máquina) pueden atacar también los cierres y deben
utilizarse únicamente según las recomendaciones del
fabricante del fluido.
3. Temperatura. A temperaturas extremadamente bajas, un
cierre puede volverse demasiado frágil para ser efectivo. A
temperaturas demasiado elevadas puede endurecerse,
ablandarse o hincharse. La temperatura de funcionamiento
debe mantenerse siempre dentro del intervalo de temperatura
correspondiente a los cierres utilizados.
4. Presión. Una presión excesiva debida a sobrecargas ejerce
un esfuerzo adicional sobre los cierres que puede dañarlos
originando fugas.
4.2.4.4. Lubrificación
Ningún cierre debería instalarse o funcionar en seco. Todos
deben ser lubrificados o de lo contrario se desgastan
rápidamente y fugan. Los cierres de cuero deben empaparse
en el fluido antes de instalarlos. Los cierres elastómeros no
son tan absorbentes como los de cuero, pero deben también
lubrificarse antes de instalarlos.
4.3. CUESTIONARIO
l. ¿Cómo se especifican las dimensiones de una tubería?
2. ¿Qué significa el número "schedule" de una tubería?
3. ¿Cómo se cierra una tubería roscada?
4. ¿Qué ventajas presentan los tubos milimétricos sobre los
tubos gas?
5. ¿A qué se refieren las especificaciones de los tubos mi-
limétricos?
6. ¿Cómo se cierran las conexiones de los tubos milimé-
tricos?
7. ¿Cómo resiste una manguera flexible a la presión?
8. Mencionar algunos sistemas pará limpiar las tuberías
hidráulicas.
9. Citar dos motivos para utilizar soportes para las tuberías.
10. ¿Qué es un cierre positivo?
11. ¿Qué se entiende por un cierre estático?
12. Mencionar dos cierres actuados por presión.
13. ¿Dónde se utilizan las juntas de labio?
14. ¿Qué tipos de retenes se utilizan para los ejes giratorios?
15. ¿Qué es un elastómero?
16. ¿Cuál es la temperatura máxima para un cierre de cuero?
17. Describir las diferencias entre el Buna-N y la silicona.
18. Mencionar tres sistemas generales para impedir las
fugas.
19. ¿Qué significa el montaje sobre una placa base?
20. Mencionar tres factores de funcionamiento que afecten a
la duración de los cierres.
Capítulo 5
DEPOSITOS, FILTROS Y REFRIGERADORES
Este capítulo trata del acondicionamiento del fluido, es decir,
proporcionar el espacio suficiente para guardar todo el fluido
del sistema más una reserva, manteniendo el fluido limpio y
a una temperatura de trabajo adecuada.
El espacio de referencia es, naturalmente, el depósito de
aceite. El fluido se mantiene limpio mediante el uso de
filtros, coladores e imanes, según lo requieran las
condiciones ambientales.
El diseño del circuito tiene una influencia considerable sobre
la temperatura del fluido. Sin embargo, muchas veces se
necesitan refrigeradores, en particular cuando las
temperaturas de funcionamiento son críticas o cuando el
sistema no puede disipar todo el calor generado.
5.1. DEPÓSITOS
El proyecto de los sistemas hidráulicos industriales tiene una
ventaja sobre el de los sistemas aeronáuticos o el del equipo
móvil. Esta ventaja está en la gran flexibilidad en el diseño
del depósito.
Prácticamente sin problemas de situación o de dimensiones,
el depósito puede diseñarse para que cumpla varias
funciones. En primer lugar, sirve de almacenamiento para el
fluido requerido por el sistema. El depósito también debe
tener espacio para que el aire pueda separarse del fluido y
debe permitir igualmente que los contaminantes se
sedimenten. Además, un depósito bien diseñado ayuda a
disipar el calor generado en el sistema.
5.1.1. Construcción del depósito
Un depósito industrial típico, conforme a las normas de la
industria, se muestra en la figura 5-1. El tanque está
construido soldando placas de acero con soportes adecuados
que separan el depósito del suelo. Todo el interior del tanque
está recubierto con una pintura que reduce la oxidación que
pueda producirse por la condensación del vapor de agua.
Esta pintura debe ser compatible con el fluido utilizado.
El depósito se diseña para que el mantenimiento del fluido
sea fácil. El fondo del tanque está inclinado y tiene un tapón
de drenaje en su punto más bajo para que el tanque pueda ser
completamente vaciado.
Es deseable que disponga de tapas que puedan retirarse con
facilidad para facilitar la limpieza. Es recomendable un nivel
visual para comprobar el nivel del fluido. (En efecto, es más
probable que las comprobaciones periódicas se hagan a
través de un nivel que mediante una tapa que tenga que
desmontarse.)
El orificio de llenado dispone de una fina malla para
eliminar los contaminantes al llenar de fluido el depósito.
5.1.1.1. Respiradero
En la mayoría de los depósitos se utiliza un respiradero que
también debe contener un filtro de aire. En atmósferas sucias
es mejor usar un filtro de aire con baño de aceite. El filtro o
respiradero debe ser de tamaño adecuado para el caudal de
aire requerido, con objeto de mantener la presión atmosférica
en el interior del tanque, ya esté éste lleno o vacío. En
general, cuanto mayor sea el caudal, mayor debe ser el
respiradero necesario. En un depósito presurizado no se usa
respiradero. Se sustituye por una válvula de aire para regular
la presión en el tanque entre límites predeterminados.
5.1.1.2. Placa desviadora
Una placa desviadora (fig. 5-2) se extiende a lo largo del
centro del tanque. Tiene generalmente 2/3 de la altura del
nivel de aceite y se usa para separar la línea de entrada de la
bomba de la línea de retorno, de forma que el mismo fluido
no pueda recircular continuamente, sino que realice un
circuito determinado por el tanque.
De esta forma la placa desviadora: 1) Impide que se origine
una turbulencia en el tanque. 2) Permite que las materias
extrañas se sedimenten en el fondo. 3) Ayuda a separar el
aire del fluido. Ayuda a disipar el calor a través de las
paredes del tanque.
5.1.2. Tuberías
La mayoría de las líneas que van al depósito deben terminar
bajo el nivel de aceite. Las conexiones de estas líneas a la
tapa del tanque se hacen generalmente con bridas y juntas de
cierre. Este montaje impide la entrada de suciedad y facilita
el desmontaje de los filtros de aspiración para su limpieza.
Tanto las líneas de aspiración como las de retorno deben
estar bastante más abajo del nivel del fluido. En caso
contrario el aire puede mezclarse con el aceite y formar
espuma. Las líneas de drenajes, sin embargo, pueden
terminar encima del nivel del fluido, en caso necesario, para
evitar la formación de una contrapresión en las mismas o la
creación de sifones. Las conexiones situadas encima del
nivel del fluido deben estar bien cerradas para impedir que
entre aire en el sistema. Las conexiones situadas bajo el nivel
de fluido sólo necesitan estar apretadas lo suficiente para
permanecer conectadas.
Las líneas que terminan cerca del fondo del tanque y que no
llevan filtros deben cortarse a un ángulo de 45°. Esto impide
que la abertura de la línea pueda interceptar el fondo del
tanque y corte el caudal. En una línea de retorno el ángulo de
la abertura debe situarse de tal forma que el caudal se dirija
hacia las paredes del tanque y se aleje de la línea de entrada
de la bomba.
5.1.3. Tamaño del depósito
Es siempre deseable un tanque grande para facilitar el
enfriamiento y la separación de los contaminantes. Como
mínimo, el tanque debe contener todo el fluido que requiere
el sistema y mantener un nivel lo suficientemente alto para
que no haya un efecto de torbellino en la línea de aspiración
de la bomba. Si esto ocurre, entrará aire en el sistema.
La dilatación del fluido debida al calor, las variaciones de
nivel debidas al funcionamiento del sistema, la superficie
interna del tanque expuesta a la condensación del vapor de
agua, y la cantidad de calor generada en el sistema, son
factores que hay que tener en consideración. En los equipos
industriales se acostumbra a emplear un depósito cuya
capacidad sea por lo menos dos o tres veces la capacidad de
la bomba en litros por minuto.
Regla general.
Tamaño del tanque (litros) = caudal de la bomba (litros /
mín) x 2 ó 3.
En los sistemas móviles y aeronáuticos, las ventajas de un
tanque grande tienen a veces que ser sacrificadas debido a
las limitaciones de espacio y peso.
5.2. FILTROS Y COLADORES
Los fluidos hidráulicos se mantienen limpios en el sistema
debido, principalmente, a elementos tales como fïltros y
coladores.
En algunos casos se utilizan también filtros magnéticos para
captar las partículas de hierro o acero que lleva el fluido.
Estudios recientes han mostrado que incluso partículas tan
pequeñas como 1.5 micras tienen efectos degradantes,
originando fallos en los servosistemas y acelerando el
desgaste del aceite en muchos casos.
5.2.1. Filtro o colador
Probablemente, siempre habrá controversia en la industria
sobre la definición exacta de filtros y coladores. En el pasado
muchos de estos elementos se denominaban filtros pero se
clasificaban como coladores. Para disminuir la controversia,
la National Fluid Power Association publicó las definiciones
siguientes:
5.2.2. Filtro
Un elemento cuya función principal es la retención,
mediante un material poroso, de los contaminantes
insolubles de un fluido.
5.2.3. Colador
Un filtro más tosco, hecho con tela metálica.
Para simplificar, tanto si el elemento es un filtro, como si es
un colador, su función consiste en retener los contaminantes
de un fluido que pasa a través de él. El material poroso
significa simplemente una malla o material filtrante que
permite que el fluido pase por él pero detiene a otros
materiales.
5.2.4. Tamaño de las mallas y filtración nominal
Una malla filtrante o un colador tienen un valor nominal que
caracteriza su finura, definida por un número de malla o su
equivalente más próximo ASTM. Cuanto más elevado es el
número de malla o ASTM, más fina es la malla.
Los filtros, que pueden fabricarse con muchos materiales
diferentes de la malla metálica, se caracterizan por su valor
en micras. Una micra es una millonésima de metro. Como
comparación, un grano de sal tiene un tamaño de
aproximadamente 70 micras. La partícula más pequeña que
puede distinguir la vista humana es de unas 40 micras. La
figura 5-4 compara varios tamaños en micras con los
números de malla ASTM.
5.2.5. Filtración nominal y absoluta
Cuando se especifica un filtro de un cierto número de micras
se refiere generalmente al valor nominal del filtro. Un filtro
cuyo valor nominal es de 10 micras, por ejemplo, captará la
mayoría de las partículas que tengan 10 micras o más. Sin
embargo, su filtración absoluta será algo mayor,
probablemente unas 25 micras.
La filtración absoluta es el tamaño de la mayor abertura o
poro del filtro. El valor absoluto es un factor importante
solamente cuando es necesario que ninguna partícula mayor
a un tamaño determinado circule por el sistema.
5.2.6. Filtros y coladores
En un sistema hidráulico, el filtro puede estar situado en tres
lugares distintos: en la línea de aspiración (fig. 5-5), en la
línea de presión (fig. 5-6) o en la línea de retorno (fig. 5-7).
Los coladores se utilizan generalmente en la línea de
aspiración, los filtros en las líneas de retorno.
La figura 5-8 muestra un colador típico instalado dentro del
depósito, en la entrada de la bomba. Es relativamente tosco,
comparado con un filtro, y está construido con una malla
fina de alambre. Un colador de malla 100, adecuado para
aceite fino, protege a la bomba de las partículas del orden de
150 micras o superiores.
También existen filtros de aspiración. Estos se montan,
generalmente, fuera del depósito, cerca de la entrada de la
bomba. Son también relativamente toscos. Un filtro fino, a
menos que sea muy grande, crea más caída de presión de la
que puede tolerarse en la línea de entrada.
5.2.7. Filtros de presión
Existen filtros diseñados para ser instalados en la línea de
presión (fig. 5-6) que pueden captar partículas mucho más
pequeñas que los filtros de aspiración. Un filtro de este tipo
puede ser instalado en los sistemas cuyos elementos, tales
como válvulas, sean menos tolerantes a la suciedad que las
bombas. De esta forma, el filtro extrae esta contaminación
fina del fluido a medida que sale de la bomba.
Naturalmente, estos filtros deben poder resistir la presión de
trabajo del sistema.
5.2.8. Filtros de retorno
Estos filtros (fig. 5-7) también pueden retener partículas muy
finas antes de que el fluido regrese al depósito. Resultan
particularmente útiles en los sistemas que no tienen un
depósito grande para permitir que los contaminantes se
sedimenten en el fondo. Un filtro de retomo es casi
obligatorio en un sistema con una bomba de alto rendimiento
que tiene holguras muy finas y que no puede ser protegida
suficientemente por un filtro de aspiración.
5.2.9. Materiales filtrantes
Los materiales filtrantes se clasifican en mecánicos,
absorbentes y adsorbentes.
Los filtros mecánicos funcionan captando las partículas entre
discos o mallas metálicas estrechamente entrelazadas. La
mayoría de los filtros mecánicos son de malla gruesa.
Los filtros absorbentes se usan para filtrar partículas mucho
más pequeñas en los sistemas hidráulicos. Se construyen con
una amplia gama de materiales porosos, incluyendo papel,
pulpa de madera, algodón y celulosa. Los filtros de papel
están generalmente impregnados de resina para aumentar su
resistencia.
Los filtros adsorbentes o activos, tales como los de carbón
vegetal y arcilla, no deben emplearse en los sistemas
hidráulicos, pues pueden eliminar los aditivos esenciales del
fluido hidráulico.
5.2.10. Tipos de elementos filtrantes
Los elementos filtrantes se construyen de varias formas,
siendo el tipo superficial (fig. 5-9) el más corriente. Los
filtros superficiales se fabrican con hilos finamente
entrelazados o con un preparado de papel con poros para
permitir que el fluido pase a su través. Un control muy
preciso del tamaño de los poros es una característica de los
elementos superficiales.
El filtro de profundidad (fig. 5-10) está formado por capas de
tejidos o material fibroso que originan pasos difíciles a la
circulación del fluido. Los poros varían de tamaño y el grado
de filtración depende del caudal. El aumento de caudal tiene
tendencia a desalojar las partículas retenidas.
Este tipo de elemento filtrante se aplica generalmente en
condiciones de caudal bajo y baja caída de presión.
El filtro de tipo rotativo (fig. 5-11) separa las partículas del
aceite que circulan entre placas finamente separadas. El
elemento filtrante tiene unas placas limpiadoras estacionarias
que eliminan los contaminantes retenidos cuando se acciona
la manilla para hacer girar el instrumento.
5.2.11 . Filtros de filtración total
El término "filtración total" aplicado a un filtro significa que
todo el caudal que entra en el filtro pasa por el elemento
filtrante. En la mayoría de los filtros de filtración total hay,
sin embargo, una válvula antirretorno dispuesta para abrirse
a una caída de presión determinada y desviar el caudal del
elemento filtrante. Esto impide que un elemento sucio
restrinja el caudal excesivamente. El filtro Vickers serie
OFM (fig. 5-12) es de este tipo. Está diseñado
principalmente para ser utilizado en las líneas de retorno con
filtración nominal de 10 ó 25 micras a través de un elemento
de tipo superficial (fig. 5-9).
El caudal, tal como se indica, pasa del exterior del elemento
hacia su centro. El antirretorno se abre cuando el caudal total
ya no puede pasar a través del elemento contaminado sin
elevar la presión. El elemento filtrante se puede sustituir
soltando un solo tornillo.
5.2.12. Filtros proporcionales
Un filtro proporcional (fïg. 5-13) utiliza el efecto venturi
para filtrar una parte del caudal. El aceite puede circular en
ambas direcciones. A medida que pasa por el cuerpo del
filtro, un estrangulamiento venturi provoca un aumento de
velocidad y una disminución de presión. La diferencia de
presión obliga a que una parte del aceite que pasa a través
del elemento se una a la corriente principal en el venturi.
La cantidad de fluido filtrado es proporcional a la velocidad
del aceite. Por eso se le llama filtro proporcional. Los filtros
Vickers de la serie OFl son proporcionales y adecuados para
utilizarlos en líneas de presión de hasta 210 kp/cm2.
5.2.13. Filtros con indicador
Los filtros con indicador (fig. 5-14) están diseñados para
señalar al operario cuándo hay que cambiar el elemento
filtrante. Este está diseñado de forma que empiece a moverse
cuando aumenta la presión a causa de la acumulación de
suciedad. Un extremo está unido a un indicador que muestra
al operario lo limpio o sucio que está el elemento. Otra
característica de este tipo de filtros es la facilidad y rapidez
con que se puede cambiar el elemento filtrante. La mayoría
de los filtros de este tipo están diseñados para ser instalados
en las líneas de entrada de las bombas.
5.3 INTERCAMBIADORES DE CALOR
Como ningún sistema tiene un rendimiento del 100 % , el
calor constituye un problema general. Por esta razón, hay
que refrigerar cuando el fluido deba tener una temperatura
determinada. Llamaremos a los dos intercambiadores
presentados aquí refrigeradores, puesto que están destinados
principalmente a enfriar el fluido.
Sin embargo hay algunas aplicaciones en las que el fluido
debe calentarse. Por ejemplo, algunos fluidos con bajo índice
de viscosidad no circulan fácilmente cuando están fríos y
deben calentarse y ser mantenidos calientes mediante sis-
temas calentadores.
5.3.1. Refrigeradores de aire
Se utiliza un refrigerador de aire (fig. 5-15) cuando el agua
de refrigeración no es fácil de obtener. El fluido se bombea a
través de tubos con aletas. Las aletas son de aluminio o de
algún otro metal que conduzca el calor con facilidad desde el
tubo al aire exterior. El refrigerador puede llevar incorporado
un ventilador para aumentar la transferencia de calor.
5.3.2. Refrigeradores de agua
En un refrigerador de aguá típico (fig. 5-16) el agua se hace
circular a través del elemento y alrededor de los tubos que
contienen el fluido hidráulico.' El agua disipa el calor del
fluido hidráulico y puede regularse termostáticamente para
mantener la temperatura deseada. Este elemento puede
usarse como calentador, haciendo circular agua caliente en
vez de agua fría a través del aparato.
5.4. CUESTIONARIO
1 . Mencione tres funciones del depósito.
2. ¿Dónde debe estar colocado el tapón de desagüe del
depósito?
3. ¿Cuál es el mejor método para comprobar el nivel del
fluido en un depósito?
4. ¿Para qué sirve eI respiradero del depósito?
5. ¿Cuál es la W alidad de la placa de separación en el
depósito?
6. ¿Por qué se corta la extremidad de la línea de retorno a un
ángulo de 45° ?
7. ¿Cuál sería el tamaño adecuado del depósito para un
sistema con una bomba de 20 1/min?
8. ¿Qué es un filtro? ¿Qué es un colador?
9. ¿Cuál es el equivalente, en micras, de una malla de n°
ASTM 170?
10. ¿Qué tamaño tiene una micra?
11 . ¿Qué quiere decir filtración absoluta?
12. Mencione tres posibles lugares donde se pueda colocar
un filtro.
13. ¿Qué tipo de elemento filtrante suministra un control
preciso del tamaño del poro?
14. ¿Qué significa filtro de filtración total?
15. ¿Para qué sirve un filtro con indicador?
Capítulo 6
ACTUADORES Y MOTORES HIDRÁULICOS
En este capítulo consideraremos el elemento de trabajo o
actuador que es donde realmente empieza el diseño del
sistema. Más adelante se hablará de motores.
El tipo de trabajo efectuado y la energía necesaria
determinan las características de los actuadores (motor o
cilindro) que deben ser utilizados. Solamente después de
haber elegido el actuador pueden seleccionarse los restantes
componentes del circuito para completar el sistema.
6.1. CILINDROS
Los cilindros son actuadores lineales. Por lineal queremos
decir que el trabajo de un cilindro se realiza en línea recta.
6.1.1. Tipos de cilindros
Los cilindros se clasifican como a) cilindros de simple o de
doble efecto, b) cilindros diferenciales y no diferenciales.
Las variaciones incluyen pistón liso o pistón con vástago,
siendo éste sólido o telescópico. Las diferencias se muestran
en las figuras 6-1 a 6-6, con los símbolos gráficos para cada
tipo.
6.1.1.1. Cilindro tipo buzo (fig. 6-1)
Quizá sea el actuador más sencillo de todos. Existe sólo una
cámara para el fluido y puede ejercer fuerza únicamente en
una sola dirección. La mayoría de estos cilindros se
montan verticalmente y el retorno se efectúa por la acción de
la gravedad. Son adecuados para aplicaciones que requieren
carreras largas tales como elevadores y gatos para levantar
automóviles.
6.1.1.2. Cilindro tipo telescópico (fig. 6-2)
Se utiliza un cilindro telescópico cuando su longitud
comprimida tiene que ser menor que la que se obtiene con un
cilindro estándar. Pueden utilizarse hasta cuatro o cinco
camisas. La mayoría de estos cilindros son de simple efecto,
pero también los hay disponibles de doble efecto.
6.1.1.3. Cilindro estándar de doble efecto (fig. 6-3)
Se denomina así porque es accionado por el fluido hidráulico
en ambos sentidos, lo que significa que puede ejercer fuerza
en cualquiera de los dos sentidos del movimiento.
Un cilindro estándar de doble efecto se clasifica también
como cilindro diferencial por poseer áreas desiguales,
sometidas a la presión, durante los movimientos de avance y
retorno. Esta diferencia de áreas es debida al área del
vástago. En estos cilindros el movimiento de avance es más
lento que el de retorno, pero pueden ejercer una fuerza
mayor.
6.1.1.4. Cilindro de doble vástago (fig. 6-4)
Los cilindros de doble vástago se utilizan donde es ventajoso
acoplar una carga a cada uno de los extremos del vástago o
cuando sea necesario que la velocidad en los dos sentidos de
movimiento sea la misma. Son también cilindros de doble
efecto pero no son cilindros diferenciales. Con áreas iguales
a ambos lados del pistón, estos cilindros suministran
velocidades y fuerzas iguales en ambas direcciones.
Cualquier cilindro de doble efecto puede utilizarse como de
simple efecto drenando el lado inactivo a tanque.
6.1.2. Construcción del cilindro
Las piezas esenciales de un cilindro (fig. 6-5) son: un tubo,
un pistón, un vástago, tapas y juntas adecuadas. Los tubos
son generalmente de acero estirado en frío sin soldaduras,
bien rectificados internamente. El pistón, generalmente de
hierro fundido o de acero, lleva incorporadas juntas para
reducir las fugas entre el pistón y las paredes del tubo. Los
anillos de segmento, del tipo utilizado en automóviles,
pueden usarse cuando pequeñas fugas sean admisibles. Para
aguantar cargas o para el control de velocidades lentas, se
utilizan frecuentemente anillos T o juntas tóricas "O" con
dos anillos de apoyo.
Los orificios del cilindro están situados en las tapas que
están fijadas rígidamente en las extremidades del tubo
mediante tirantes y tuercas.
El retén del vástago es del tipo cartucho incluyendo el retén
propiamente dicho y un anillo limpiador que protege al
vástago contra las impurezas.
El tipo cartucho facilita el recambio de los retenes.
6.1.2.1. Montajes de1 cilindro
Varios tipos de montaje para cilindros (fig. 6-6)
proporcionan flexibilidad para la instalación de los mismos.
Generalmente los extremos de los vástagos están roscados
para unirlos directamente a la carga o están ligados a un
acoplamiento.
6.1.3. Capacidad de los cilindros
La capacidad de un cilindro viene determinada por su
tamaño y su resistencia a la presión.
La mayoría llevan un vástago normalizado, pero hay
disponibles, además, vástagos pesados y extrapesados. El
tamaño del cilindro viene definido por el diámetro del pistón
y por la carrera del vástago. La velocidad del cilindro, la
fuerza disponible y la presión necesaria para una carga dada,
dependen del área del pistón utilizado
x d2
(A = ------------- = 0.7854 x d2).
4
En el movimiento de retorno debe tenerse en cuenta el área
del vástago.
6.1.4. Fórmulas para aplicaciones de cilindros
Los datos siguientes se desarrollaron en el capítulo 1 :
a) Determinar la velocidad de un cilindro sabiendo su
tamaño y el caudal de la bomba en 1/min.
Caudal (l/min)
Velocidad (m/sg) = -----------------------------------
6 x Área del pistón (cm2)
b) Determinar el caudal necesario para conseguir una
velocidad determinada:
Caudal (1/min) = 6 x Velocidad (m/min) x Área del pistón
(cm2).
c) Determinar la fuerza a una presión dada:
Fuerza (kp) = Área (cm2) x Presión (kp/cm
2)
d) Determinar la presión requerida para ejercer una fuerza
determinada:
Fuerza (kp)
Presión (kp/cm2) = -------------------
Area (cm2)
La tabla 1 muestra los efectos originados en aplicaciones de
cilindros al variar el caudal de entrada, el tamaño del cilindro
o la presión.
Los efectos son válidos para una carga constante.
La tabla 2 muestra las áreas de los pistones, las fuerzas y las
velocidades, para cilindros de diversos tamaños.
6.l .5. Opciones
El equipo opcional incluye anillos de segmento para el
pistón en las operaciones de ciclo rápido, amortiguadores
para decelerar la carga al final de la carrera, y limitadores de
carrera para impedir cargas excesivas sobre los cojinetes
debidas a esfuerzos laterales sobre el vástago extendido.
6.1.5.l. Amortiguadores
Los amortiguadores (fig. 6-7) se instalan frecuentemente en
uno o en ambos extremos del cilindro, para disminuir su
velocidad cerca del final de la carrera e impedir que el pistón
golpee contra la tapa del extremo.
La deceleración empieza cuando una extensión cónica del
vástago se introduce en un orificio de la tapa, restringiendo
así el caudal de retorno al tanque. Durante la fracción final
de la carrera, el aceite desplazado descarga a través de un
orificio ajustable. El dispositivo amortiguador incluye
también una válvula antirretorno para obtener el paso libre
del aceite en el sentido contrario.
6.1.5.2. Limitadores de carrera
Un limitador de carrera (fig. 6-8) es un tubo separador que se
coloca en el vástago del cilindro, cerca del pistón, cuando la
carrera es larga. El separador, al aumentar la distancia
mínima desde el pistón hasta el casquillo, proporciona un
mayor soporte a las cargas laterales sobre el vástago,
disminuyendo así el desgaste del casquillo.
6.2. MOTORES HIDRÁULICOS
Motor es el nombre que se da generalmente a un actuador
hidráulico rotativo. La construcción de los motores se parece
mucho a la de las bombas. En vez de impulsar el fluido,
como hace una bomba, son impulsados por éste y desarrollan
un par y un movimiento continuo de rotación. Como los dos
orificios del motor, de entrada y de salida, pueden ser ambos
presurizados (motores bidireccionales), la mayoría de los
motores hidráulicos llevan drenaje externo.
6.2.1. Características de los motores
Los motores hidráulicos se clasifican según su
desplazamiento (tamaño), par y límite de presión máxima.
Desplazamiento. Es la cantidad de fluido que requiere el
motor para dar una revolución (fig. 6-9), o, en otras palabras,
la capacidad de una cámara multiplicada por el número de
cámaras que contiene. Este desplazamiento se expresa en
cm3 por revolución.
Par. El concepto de par de un motor es equivalente al de
fuerza en un cilindro. Se define como un esfuerzo de
rotación. Un motor hidráulico puede dar un par sin
movimiento, pero éste se efectuará si el par es suficiente para
vencer el rozamiento y la resistencia de la carga. La figura 6-
10 ilustra el par necesario para levantar una carga con una
polea. Hay que observar que el par está siempre presente en
el eje de accionamiento, y que es igual a la carga
multiplicada por el radio de la polea. Una carga determinada
desarrollará menos par sobre el eje si el radio disminuye. No
obstante, cuanto mayor sea el radio, más rápidamente se
moverá la carga, para una velocidad determinada del eje. El
par se expresa generalmente en m.kp.
Presión. La presión necesaria para el funcionamiento de un
motor hidráulico depende del par y del desplazamiento. Un
motor con gran desplazamiento desarrollará un par
determinado con menos presión que un motor con un
desplazamiento más pequeño. El par desarrollado por un
motor se expresa generalmente en m.kp a una presión de 7
kp/cm2.
6.2.1.1. Fórmulas para aplicaciones de motores
Las fórmulas siguientes se utilizan para seleccionar un motor
hidráulico y determinar el caudal y presión necesarios.
NOTA
Todas las fórmulas indicadas a continuación son para un par
teórico. Puede requerirse un par adicional del 10 %al 35 %,
para arrancar bajo una carga determinada.
Compruébense las especificaciones del par de arranque en
las hojas de instalación correspondientes.
a) Seleccionar el motor requerido para un trabajo:
Par nominal (m.kp/7 kp/cm2 ) =
Par necesario (m.kp) x 7
= -----------------------------------------------
Presión de funcionamiento (kp/cm2)
Por ejemplo, para levantar una carga que requiere un par de
50 m.kp, a una presión de 100 kp/cm2, hace falta un motor
de par nominal 3.5 m.kp a 7 kp/cm2, pues:
50 x 7
--------- = 3.5 kp/7 kp/cm2
100
b) Encontrar la presión de funcionamiento para un motor y
carga dados:
Presión de funcionamiento (kp/cm' ) =
Par necesario (m.kp) x 7
= -------------------------------------
Par nominal (m.kp/7 kp/cm2 )
Por ejemplo, un motor de 5 m.kp/7 kp/cm2, para accionar
una carga que requiere un par de 1 50 m.kp, necesita una
presión de 210 kp/cm2
150 x 7
P = ----------- = 210 kp/cm2
5
c) Determinar el par máximo para una presión y par nominal
determinados.
Par necesario (m.kp) = Par nominal (m.kp/7 kp/cm2 ) x
Presión de funcionamiento (kp/cm2):7
Por ejemplo, un motor de 1 m.kp/7 kp/cm2, y presión
máxima de 140 kp/cm2, puede levantar una carga que
requiere un par máximo de 20 m.kp.
1 x 140
Par máximo = -------------- = 20 m.kp
7
d) Determinar el par cuando se conocen la presión y el des-
plazamiento:
10 Presión (kp/cm2 )
Par (m.kp) = ----------------------------------------
2 Desplazamiento (litros/rev.)
Por ejemplo un motor de desplazamiento 62.8 cm3 /rev.
trabajando a una presión de 100 kp/cm2, desarrolla un par de
10 m.kp, pues
10 x 100 x 0.0628
Par = -------------------------- = 10 m.kp
6.27
e) Determinar el caudal requerido para un motor y una
velocidad determinados:
R.P.M. x Desplazamiento (cm3 /rev.)
Caudal (1/min) = ------------------------------------------------
1000
Por ejemplo, un motor de desplazamiento 10 cm2 /rev. para
girar a 400 r.p.m. requiere un caudal de 4 1/min.
400 x 10
L = ------------------ = 4 1/min.
1000
f) Encontrar la velocidad de rotación cuando se conocen el
desplazamiento y el caudal
1000 Caudal (1/min.)
R.P.M. = ----------------------------------
Desplazamíento (cm3 /rev.)
La tabla 3 resume los efectos sobre la velocidad, presión y
par cuando cambian las aplicaciones del motor. Obsérvese
que los principios básicos son idénticos a los
correspondientes a la tabla de cilindros de la página 6-6.
6.3. MOTORES DE ENGRANAJES
Un motor de engranajes (fig. 6-11) desarrolla un par debido
a la presión aplicada sobre la superficie de los dientes de los
engranajes. Los dos engranajes están acoplados y giran
conjuntamente, estando solamente uno de ellos acoplado al
eje de accionamiento. El sentido de rotación del motor puede
invertirse invirtiendo la dirección del caudal. El
desplazamiento de un motor de engranajes es fijo y es,
aproximadamente, igual al volumen comprendido entre dos
dientes multiplicados por el número de dientes.
Es evidente, según la figura 6-11, que los engranajes no
están equilibrados hidráulicamente. La alta presión a la
entrada y la baja presión a la salida originan elevadas cargas
laterales sobre el eje y los engranajes, así como sobre los
cojinetes que los soportan. Es posible equilibrar estos
esfuerzos laterales mediante orificios y pasajes internos,
sobre los que se distribuyen las presiones correspondientes a
180° aparte. No obstante, este tipo de equilibraje se
encuentra más frecuentemente en los motores de paletas.
Véase la figura 6-12.
Los motores de engranajes de este tipo están con frecuencia
limitados a presiones de funcionamiento de hasta 140
kp/cm2, y a rotaciones máximas de 2400 r.p.m. Las ventajas
principales son su sencillez y una tolerancia bastante elevada
a la suciedad. Estas ventajas, sin embargo, se ven
contrarrestadas por un rendimiento más bajo. Con la
tendencia actual hacia rendimientos más elevados y equipo
de filtración más sofisticado, se tiende a utilizar motores de
pistones en muchos equipos de maquinaria y en sistemas
móviles.
6.4. MOTORES DE PALETAS
En un motor de paletas, el par se desarrolla por la presión,
que actúa sobre las superficies expuestas de las paletas
rectangulares las cuales entran y salen de unas ranuras
practicadas en un rotor, acoplado al eje de accionamiento
(fig. 6-12). A medida que el rotor gira, las paletas siguen la
superficie de un anillo formando cámaras cerradas que
arrastran el fluido, desde la entrada hasta la salida. En el
diseño equilibrado hidráulicamente que se muestra en la
figura 6-12, la presión aplicada en cualquiera de los dos
orificios, se dirige a las dos cámaras interconectadas a 180°
una de otra. Las cargas laterales que se producen son
opuestas y se neutralizan mutuamente.
La figura 6-13, muestra esta configuración con el motor
reversible de paletas, de tipo "cuadrado". Obsérvese que el
rotor gira dentro de un anillo, y entre el cuerpo y la placa de
presión. Unos balancines, accionados por muelles y unidos
al rotor, fuerzan las paletas contra el anillo elíptico. En
funcionamiento, la presión aplicada en la parte inferior de las
paletas también las mantiene en contacto con el anillo.
6.4.1. Válvulas de esfera en la placa de presión
La placa de presión (fig. 6-14) está diseñada para mantener
el grupo giratorio bien estanco, a través de la presión
aplicada sobre su superficie externa. Dos válvulas esféricas
de vaivén, en la placa de presión, interconectan pasajes para
mantener esta presión con independencia del orificio que
esté presurizado. El sentido de rotación del motor puede
invertirse, invirtiendo la dirección del caudal que se le envía.
Una modificación especial de este motor (fig. 6-15) permite
que éste pueda funcionar en ambos sentidos, sin necesidad
de balancines y válvulas. El aceite a presión, procedente de
una fuente exterior, es dirigido a la placa de presión y a la
parte inferior de las paletas para mantenerlas contra el anillo.
Estos motores son de desplazamiento fijo. Sin embargo, el
desplazamiento de una unidad determinada puede ser
modificado instalando un anillo de contorno mayor o menor
(fig. 6-16).
Otra modificación de este motor es un diseño unidireccional
o no reversible (fig. 6-17). Una válvula antirretorno en la
entrada del motor asegura que una presión piloto mantenga
las paletas extendidas. Así, este diseño no requiere
balancines, válvulas esféricas ni una fuente externa de
presión. Su utilización se limita a aplicaciones
unidireccionales tales como el accionamiento de un
ventilador.
6.4.2. Motores de paletas de alto rendimiento
El motor de paletas de alto rendimiento (fig. 6-18) es un
diseño posterior del motor de paletas equilibrado
hidráulicamente. Desarrolla un par de la misma forma que el
motor tipo "cuadrado' pero tiene modificaciones
significativas en su construcción.
En este diseño las paletas se mantienen contra el anillo
mediante muelles de forma cilíndrica. El cartucho formado
por anillo, rotor, paletas y placas laterales es desmontable y
puede ser substituido como una unidad completa (fig. 6-19).
De hecho, cartuchos previamente montados y comprobados
están disponibles para recambio en el lugar de trabajo.
Estos motores también son reversibles, y las dos placas
laterales funcionan alternativamente como placas de presión
(fig. 6-20) según la dirección del caudal.
6.4.3. Motores MHT de par elevado
Otro diseño de motor de paletas equilibrado hidráulicamente
es el de la serie MHT, de par elevado y velocidad baja (fig.
6-21 ). Esta serie está disponible en varios tamaños, y uno de
ellos funciona desde 5 a 150 r.p.m., con un par máximo de
620 m.kp. Una versión doble origina un par de 1240 m.kp.
Este motor es aplicable en transportadores pesados, mesas
giratorias, unidades de volqueo, cabrestantes y otras
aplicaciones en las que su elevada capacidad de par puede
ser ventajosa.
6.4.4. Motores de pistones en línea
Los motores de pistones generan un par, mediante la presión
que se ejerce sobre los extremos de los pistones que se
mueven alternativamente en el barrilete. En el diseño en
línea (fig. 6-22), el eje de accionamiento del motor y el
bloque de cilindros o barriletes tienen el mismo eje de
rotación. La presión en los extremos de los pistones,
actuando contra una placa inclinada, origina la rotación del
barrilete y del eje. El par es proporcional al área de los
pistones y depende del ángulo de inclinación de la placa.
Estos motores pueden ser de desplazamiento fijo (fig. 6-23),
o variable (fig. 6-24). El ángulo de inclinación de la placa es
el que determina el desplazamiento.
En el motor de desplazamiento variable, la placa inclinada
está montada en un bloque oscilante, y el ángulo puede
modificarse de varias formas, que van desde una simple
palanca o volante hasta sofisticados servocontroles. Al
aumentar el ángulo de la placa inclinada se aumenta el par
del motor pero se reduce la velocidad de rotación de su eje.
Inversamente, al reducir el ángulo, el par disminuye pero se
aumenta la velocidad del eje. Se disponen generalmente
topes de ángulo mínimo para que el par y la velocidad
permanezcan dentro de límites operativos.
6.4.5. Control por compensador hidráulico
El compensador hidráulico (fig. 6-25) se utiliza para
modificar el desplazamiento del motor, en respuesta a
cambios de la carga de trabajo. Un pistón accionado por un
muelle está conectado mecánicamente al bloque basculante y
lo mueve en respuesta a las variaciones de la presión de
trabajo. Todo aumento de carga va acompañado por un
aumento correspondiente de presión, como resultado de un
par adicional necesario. El compensador, entonces, ajusta
automáticamente el bloque oscilante de forma que el par
aumenta con una carga más elevada y disminuye cuando la
carga es ligera. Igualmente, el compensador regula el
desplazamiento para obtener un rendimiento máximo,
cualquiera que sea la carga hasta el ajuste de la válvula de
seguridad.
6.4.6. Motores de pistones en ángulo
Los motores de pistones en ángulo (fig. 6-26) también
desarrollan un par mediante la reacción a la presión sobre los
extremos de pistones alternativos. En este diseño, no
obstante, el bloque de cilindros y el eje de accionamiento
están montados formando un ángulo entre sí y la reacción se
ejerce contra la brida del eje de accionamiento.
La velocidad y el par varían en función del ángulo, desde un
valor mínimo predeterminado de las r.p.m., con un
desplazamiento y un par máximos a un ángulo de
aproximadamente 30°, hasta unas r.p.m. máximas, con un
desplazamiento y un par mínimo a aproximadamente 7.5°.
Existen modelos de desplazamiento fijo y variable.
Las unidades de desplazamiento variable pueden ir
equipadas con un cierto número de controles, incluyendo un
compensador hidráulico. El sentido de rotación del eje puede
invertirse invirtiendo la dirección del caudal enviado al
motor. No resulta práctico invertir el sentido de rotación del
motor desplazando el bloque basculante al otro lado de la
posición central, porque el par tendería a cero y su velocidad
aumentaría infinitamente (si no se bloquea el motor antes de
llegar a la posición central).
6.4.6.1. Características de funcionamiento de los motores de
pistones
Los motores de pistones son probablemente los más
eficientes de los tres tipos que hemos discutido y, en general,
tienen capacidad tanto para altas velocidades, como para
altas presiones. En aplicaciones aeroespaciales, en particular,
se utilizan debido a su elevada relación de potencia por
unidad de peso. Los motores de pistones en línea, debido a
su sencilla construcción y bajo coste, están encontrando
muchas aplicaciones en las máquinas herramientas y en los
equipos móviles.
6.4.7. Motores de pistones radiales
Son motores de par elevado y de baja velocidad
6.4.7.1.
El diseño patentado que puede verse en la figura 6.27 tiene
cinco cilindros telescópicos de autoalineación que transmiten
la potencia a través de una excéntrica formada en el eje. El
contacto entre los cilindros y las superficies esféricas de la
carcasa del motor y de la excéntrica se limita a los bordes de
las camisas exteriores e interiores respectivamente.
Inicialmente, las dos camisas de un cilindro mantienen el
contacto por medio de un muelle incorporado, mientras que
su extensión y posición de articulación depende de la
posición angular momentánea de la excéntrica del eje.
Los ejes geométricos de todos los cilindros pasan por el
centro de la excéntrica, por lo que originan rnornentos de
giro alrededor del eje de rotación. La bomba envía una cierta
cantidad de fluido al interior de los cilindros del lado
derecho y, descargándose desde los del lado izquierdo una
cantidad similar, el eje gira en sentido izquierdo, corno
puede verse en la figura. Tal como aparece aquí, el cilindro
que está en la parte superior se halla momentáneamente
estacionario con extensión mínima, porque la excéntrica está
en el punto muerto superior.
Invirtiendo el sentido de envío y descarga de fluido a los
grupos opuestos de cilindros se invierte la dirección de
rotación del eje. Para un sentido de rotación dado, es preciso
que el fluido sea enviado a cilindros sucesivos en esa
dirección a la vez que se permite que se descarguen
sucesivamente los cilindros opuestos. Cómo puede
efectuarse esto lo veremos en la ilustración siguiente. Pero,
en cualquier posición transitoria del eje, hay dos o tres
cilindros que están recibiendo líquido mientras que los
cilindros opuestos están descargándolo.
6.4.7.2
En la figura 6.28 se ven dos cilindros opuestos que se
apoyan en la excéntrica del eje y en la carcasa. El eje se
prolonga en ambos sentidos y se apoya en dos cojinetes de
dos filas anulares de rodillos. A la derecha, se prolonga a
través del retén del eje y termina en un extremo estriado que
engrana con la carga. A la izquierda, una prolongación
estriada de pequeño diámetro mueve una placa de
distribución giratoria cuya cara derecha está en contacto con
una placa estator. Los orificios individuales que atraviesan
esta última están en comunicación a través de la carcasa con
las secciones superiores de los cinco cilindros. Dos canales
anulares semicirculares en la cara del lado derecho de la
placa de distribución están en comunicación con los orificios
de la placa estator y con los grupos opuestos de cilindros.
Desde la base de estos canales hay unos pasadizos que
vuelven a través de la placa de distribución, saliendo uno por
la periferia y el otro por la cara del lado izquierdo,
continuando luego hacia los orificios principales en la parte
posterior de la carcasa. Una placa de apoyo o desgaste está
en contacto con la cara izquierda de la placa de distribución,
y arandelas Belleville en la parte posterior de la carcasa
mantienen el contacto inicial entre las tres placas. Las placas
de apoyo y de distribución están equilibradas
hidráulicamente para asegurar una estanqueidad y
lubricación óptimas durante el funcionamiento. Todas las
partes de baja presión de la carcasa están en comunicación
con el depósito mediante pasajes de drenaje en las placas de
distribución y de desgaste.
El estado de rotación a la izquierda de la ilustración
precedente se muestra aquí con más detalle, con particular
referencia a la circulación del fluido entre los orificios prin-
cipales y los cilindros.
El líquido a presión (rojo) entra por un orificio principal,
atraviesa las placas estator y de distribución hasta llegar a los
cilindros que proporcionan el par para la rotación a la
izquierda. El líquido (azul) procedente de los cilindros
opuestos pasa por las placas de apoyo, distribución y estator
y sale por el otro orificio principal. El par restante hace girar
el eje que, a su vez, hace girar la placa de distribución; los
canales semicirculares de esta última van cambiando
progresivamente los grupos de cilindros opuestos para que
continúe la rotación mientras siga habiendo circulación de
líquido desde el orificio de entrada al de salida.
Se puede invertir la rotación del eje invirtiendo la dirección
de circulación del líquido entre los orificios de entrada y
salida.
La lubricación de las caras de la placa de distribución y de
los bordes de los cilindros se realiza mediante las fugas
internas. El líquido que drena desde estos puntos pasa por
canalizaciones de drenaje en las placas de apoyo y de
distribución y sale por el orificio de drenaje en la parte
posterior de la carcasa. La línea de drenaje tiene que
instalarse de forma que la carcasa permanezca llena de
líquido para asegurar la lubricación en todas las condiciones.
6.4.8. Motores oscilantes
Los motores oscilantes son actuadores de rotación parcial
que no pueden girar continuamente en la misma dirección.
Normalmente, el giro está limitado a algo menos de una
revolución. Los motores oscilantes típicos son del tipo de
paleta simple y doble, o del tipo cremallera que desarrolla
pares sumamente elevados, con rotaciones superiores a una
vuelta.
6.5. CUESTIONARIO
1. Describir las características de funcionamiento de los
cilindros de simple y doble efecto.
2. Con un caudal de 12 1/min, dirigido a la sección de área
mayor de un cilindro de diámetro interno de 5 cm ¿cuál será
la velocidad del vástago del cilindro?
3. Si un cilindro de diámetro interno de 7.5 cm puede tra-
bajar hasta una presión de 140 kp/cm2, ¿cuál será la fuerza
máxima ejercida?
4. ¿Cuál es la presión necesaria para ejercer una fuerza de
7000 kp si el área efectiva del pistón del cilindro es de 50
cm2?
5. Definir el desplazamiento y el par nominal de un motor
hidráulico.
6. Un cabrestante requiere un par máximo de 7 m.kp para
poder funcionar; ¿cuál será el tamaño del motor hidráulico
necesario si la presión máxima disponible es de 105 kp/cm2?
7. Un motor de par nominal 0.25 m.kp acciona una carga que
requiere un par de 12.50 m.kp; ¿cuál será la presión de
funcionamiento?
8. Explicar para qué sirven las válvulas de esfera en los
motores de paletas tipo "cuadrado".
9. Explicar cómo las paletas se mantienen en contacto con el
anillo en los motores de paletas tipo "cuadrado" y en los de
"alto rendimiento".
10. ¿Cómo se desarrolla el par en un motor de pistones en
línea?
11 . ¿Cuál es el efecto de un aumento de carga en un motor
hidráulico con compensador?
12. ¿Qué tipo de motor hidráulico es generalmente el más
eficiente?
Capítulo 7
CONTROLES DE DIRECCIÓN
7.1. VÁLVULAS DIRECCIONALES
Las válvulas direccionales, como su nombre indica, se usan
para controlar la dirección del caudal. Aunque todas realizan
esta función, las válvulas direccionales varían
considerablemente en construcción y funcionamiento. Se
clasifican, según sus características principales, en:
- Tipo de elemento interno. Obturador (pistón o esfera),
corredera rotativa o deslizante.
- Métodos de actuación. Levas, émbolos, palancas manuales,
mecánicos, solenoides eléctricos, presión hidráulica y otros,
incluyendo combinaciones de éstos.
- Número de víás. Dos vías, tres vías, cuatro vías, etc... -
Tamaño. Tamaño nominal de las tuberías conectadas a la
válvula o a su placa base, o caudal nominal.
- Conexiones. Roscas cónicas, roscas cilíndricas, bridas y
placas bases.
7.1.1. Posición definida
La mayoría de las válvulas direccionales industriales son de
posición definida. Es decir, que controlan el paso del caudal
abriendo o cerrando pasajes en posiciones definidas de la
válvula. El símbolo gráfico para una válvula direccional
contiene una envoltura separada (cuadro) para cada posición
definida, mostrando las direcciones del caudal en dicha
posición.
7.2. VALVULAS ANTIRRETORNO
Una válvula antirretorno puede funcionar como control
direccional o como control de presión. En su forma más
simple, sin embargo, una válvula antirretorno no es más que
una válvula direccional de una sola vía (fig. 7-1 ). Permite el
paso libre del aceite en una dirección y lo bloquea en la otra.
Obsérvese que el símbolo gráfico compuesto para una
válvula antirretorno indica dos posiciones de la válvula:
abierta y cerrada. Es un diagrama bastante complicado para
una válvula tan simple y se utiliza raramente. Se emplea
generalmente el símbolo de bola y asiento que se utilizará en
este manual en todos los casos para designar a una válvula
antirretorno.
7.2.1. Válvulas antirretorno en línea
Las válvulas antirretorno en línea (fig. 7-2) se llaman así
porque el aceite fluye a través de las mismas en línea recta.
El cuerpo de esta válvula se rosca directamente a la tubería y
está mecanizado interiormente para formar un asiento para
un pistón cónico o una bola (fig. 7-3). Un muelle ligero
mantiene el pistón en su asiento permitiendo el montaje de la
válvula en cualquier posición. En la dirección de paso libre,
el muelle cede y la válvula se abre a una presión de
aproximadamente 0.35 kp/cm2. El muelle no es ajustable,
pero hay disponible un conjunto de muelles, de tarajes
distintos, para casos específicos, tales como crear una
presión piloto, montarlos en derivación con los
refrigeradores o filtros, en el caso de obstrucción de éstos o
como protección contra las puntas de presión. En estos
casos, estas válvulas no se utilizan como válvulas
antirretorno, sino más bien como válvulas de secuencia o
seguridad.
Aunque admiten presiones de hasta 210 kp/cm2, las válvulas
antirretorno en línea no son recomendables para aplicaciones
en las que puedan verse sometidas a caudales de retorno a
gran velocidad.
7.2.2. Válvulas antirretorno en ángulo recto
La válvula antirretorno de ángulo recto es una válvula más
robusta. Está formada por un pistón de acero y un asiento
endurecido incrustado en un cuerpo de fundición (figs. 7-4 y
7-5). Debe su nombre a que el aceite fluye a través de la
misma formando un ángulo recto. Estas válvulas se
construyen para montaje en tubería, sobre placa base con
juntas o con bridas. Su capacidad de caudal está
comprendida entre 12 1/min hasta 1200 1/min, con una
amplia gama de presiones de abertura.
7.2.3. Válvulas antirretorno con retorno restringido
Una válvula antirretorno con retorno restringido (fig. 7-6) es
una modificación de una válvula antirretorno simple. Un
tapón perforado está situado en el pistón de la válvula para
permitir un caudal restringido en la posición normalmente
cerrada.
Aunque su empleo es algo limitado, sus aplicaciones
incluyen aquellas que requieren un paso libre de fluido en
una dirección y un caudal controlado en la otra dirección.
Como por ejemplo, el control de la descompresión en una
prensa de grandes dimensiones.
7.2.4. Válvulas antirretorno pilotadas
Las válvulas antirretorno pilotadas están diseñadas para
permitir el paso libre del fluido en una dirección y para
bloquear el caudal de retorno en la dirección opuesta, hasta
que la válvula se abra debido a la acción de un pilotaje
exterior. Se utilizan en las prensas hidráulicas como válvulas
de prellenado para permitir que el cilindro principal se llene
por gravedad durante la carrera de aproximación rápida.
También se utilizan para mantener parado, a pesar de las
fugas a través de la corredera de la válvula distribuidora, un
cilindro vertical con su carga.
Existen dos modelos distintas de válvulas antirretorno
pilotadas: las series "2C" y "4C".
7.2.4.1. Tipo 4C
En la figura 7-7 puede verse la constitución de la válvula ti-
po "4C". El obturador de la válvula está apoyado en su
asiento mediante un muelle ligero y la camisa que guía el
pistón piloto forma pieza única con el asiento. El orificio de
pilotaje externo, situado en la tapa inferior de la válvula, está
en comunicación con la cabeza del pistón piloto.
En la figura 7-8 pueden verse las tres fases de
funcionamiento de la válvula. En las figuras A y B no hay
aplicada presión piloto y el funcionamiento es el mismo que
en las válvulas antirretorno simples. En A, la presión a la
entrada del obturador (entrada de la válvula) ha vencido la
tensión del muelle abriendo la válvula y permitiendo el paso
del fluido. En B, la presión en el lado del muelle es superior
a la de entrada y el fluido no puede atravesar la válvula.
En la figura C se ve el efecto de la presión de pilotaje. El
pistón actúa sobre el obturador y permite la circulación del
fluido en sentido contrario. La presión piloto necesaria para
abrir el obturador debe ser superior al 40 % de la presión en
la cámara del muelle.
7.2.4.2. Tipo 2C
La válvula tipo "2C" está representada en la figura 7-9. El
obturador de la válvula se parece a la válvula de un motor de
explosión y el pistón piloto está unido a la varilla roscada del
obturador mediante una tuerca. Un muelle ligero mantiene el
pistón apoyado en su asiento cuando no hay circulación de
caudal. Hay un orificio de drenaje independiente para
impedir que se origine una contrapresión en el lado inferior
del pistón piloto.
En la figura 7-10, vistas A y B, puede verse su funciona-
miento, idéntico al de una válvula antirretorno simple,
cuando no hay presión piloto aplicada. Hay circulación del
fluido en sentido contrario, vista C, cuando la presión de
pilotaje excede del 80 % de la presión en el orificio de
salida. La válvula también puede funcionar sin muelle (fig.
7-11) para aplicaciones en las que se desea mantener el
obturador abierto o cerrado. En el modelo sin muelle, los
orificios de drenaje y pilotaje actúan ambos como orificios
de presión piloto y se invierten mediante una válvula
direccional exterior. La presión piloto se utiliza para
mantener la válvula en la posición deseada.
7.2.4.3. Aplicaciones de 1as válvulas antirretorno pilotadas
En la figura 7-12 podemos observar la diferencia básica de
funcionamiento entre las válvulas "2C" y "4C". En el tipo
"4C", la presión en la cámara de entrada actúa también
contra el pistón piloto oponiéndose a la presión de pilotaje.
En el tipo "2C", la presión de entrada ayuda a la presión de
pilotaje.
La válvula "4C" se usa, por consiguiente, en aplicaciones en
las que el orificio de entrada está unido a tanque durante la
operación inversa. Aplicaciones típicas son: en un circuito de
avance rápido y trabajo lento, para bloquear el caudal grande
y permitir el control preciso de la válvula reguladora de
caudal o impedir que un cilindro vertical descienda
lentamente debido a las fugas de la válvula direccional.
La válvula "2C" se utiliza para bloquear intermitentemente el
caudal de salida de un acumulador. Permite cargar
libremente el acumulador y puede pilotarse fácilmente para
impedir que el acumulador se descargue aunque haya pre-
sión en ambos orificios.
7.3. VÁLVULAS DE 2 y 4 VIAS
La función básica de estas válvulas es dirigir el caudal de
entrada a cualquiera de los dos orificios de salida. Según la
figura 7-13, el caudal del orificio "P" (bomba) puede ser
dirigido a cualquiera de los dos orificios de salida
(denominados A y B por conveniencia).
En la válvula de 4 vías el orificio alterno está comunicado a
tanque permitiendo el retorno del caudal al depósito. En las
válvulas de 2 vías el orificio alterno está bloqueado y el
orificio a tanque sirve solamente como drenaje de las fugas
internas de la válvula.
La mayoría de estas válvulas son del tipo de corredera
deslizante, aunque existen válvulas rotativas que se usan
principalmente para pilotajes. Se fabrican en modelos de 2 ó
3 posiciones. La válvula de tres posiciones tiene una
posición central o neutra. Los métodos de accionamiento
incluyen palancas manuales, levas, conexiones mecánicas,
muelles, solenoides, presión piloto y otros sistemas.
7.4. VÁLVULA ROTATIVA DE 4 VIAS
Una válvula rotativa de 4 vías (fig. 7-14) consiste
simplemente en un rotor estrechamente ajustado dentro del
cuerpo de la válvula. Los pasos en el rotor conectan o
bloquean los orificios del cuerpo de la válvula para obtener
las 4 vías de caudal. Si se desea puede incorporarse una
posición central.
Las válvulas rotativas se accionan manual o mecánicamente
Aunque pueden invertir el caudal dirigido a cilindros o
motores, sin embargo, se usan principalmente como válvulas
piloto para controlar otras válvulas.
7.5. VALVULA DE 2 VIAS DE TIPO CORREDERA
En la válvula direccional de tipo corredera (fig. 7-15), una
corredera cilíndrica puede deslizarse en ambos sentidos en
un orificio practicado dentro del cuerpo de la válvula.
Unos pasos mecanizados, que parten de los orificios externos
de la válvula, pueden estar unidos entre sí a través de ranuras
circulares en la corredera o bloqueados por los salientes
cilíndricos de la misma.
La versión de 2 vías permite la selección de 2 direcciones
para el caudal. En una posición, el caudal puede pasar desde
el orificio P hasta el orificio A. En la otra posición, desde P
hasta B. Todos los demás orificios están bloqueados.
7.6. VALVULA DE CORREDERA DE 4 VIAS
La válvula de corredera de 4 vías (fig. 7-16) es idéntica a la
válvula de 2 vías de la figura 7-15 con la excepción del
mecanizado de los salientes cilíndricos de la corredera. La
anchura de los mismos se reduce para descubrir el orificio T
(tanque) en las posiciones extremas y permitir el caudal de
retorno al tanque.
7.7. SISTEMAS DE MANDO
Las válvulas de corredera pueden ser accionadas de varias
formas distintas. En la figura 7-16A puede verse una válvula
de 4 vías de mando manual: en la figura 17, una válvula
mandada mecánicamente y su símbolo gráfico. Obsérvese
que el símbolo básico es el mismo que hemos visto
anteriormente (fig. 7-13), añadiendo el símbolo del control.
La figura 7-18 muestra una válvula de 4 vías cuya corredera
es accionada por aire a presión aplicado a sus extremos. Un
método muy corriente de accionar una válvula pequeña tipo
corredera es mediante un solenoide (fig. 7-19). La energía
eléctrica aplicada a la bobina del solenoide origina un campo
magnético que atrae el núcleo del imán dentro de la bobina.
El movimiento del núcleo es transmitido a la corredera
mediante una varilla empujadora.
En las válvulas grandes, la fuerza requerida para desplazar la
corredera es mayor que la que resulta práctico obtener de un
solenoide. La mayoría de las válvulas direccionales grandes
son accionadas mediante una presión de pilotaje aplicada en
cualquiera de los extremos de la corredera (fig. 7-20). El
aceite de pilotaje es suministrado por una válvula de 4 vías
más pequeña, llamada válvula piloto que, aunque
generalmente es accionada por un solenoide, puede ser
actuada por cualquiera de los métodos que se han visto desde
las figuras 7-16 a 7-18.
7.8. "CENTRAJE POR MUELLES", "RETORNO POR
MUELLE" Y "SIN MUELLES"
Los términos "centraje por muelles" y "retorno por muelle"
se refieren al empleo de muelles que devuelven las
correderas de las válvulas a sus posiciones normales.
Una válvula "centrada por muelles" vuelve a su posición
central mediante la fuerza de un muelle cuando el esfuerzo
de accionamiento deja de actuar. La válvula accionada por
aire de la figura 7-1 8 está centrada por muelles.
Una válvula de "retorno por muelle" (fig. 7-21) es una
válvula de dos posiciones cuya corredera retorna a una
posición extrema por efecto de un muelle cuando deja de
actuar el esfuerzo de accionamiento, originado por
cualquiera de los métodos mencionados anteriormente.
Una válvula "sin muelles" debe ser accionada siempre por un
control exterior y su corredera puede "flotar" entre sus dos
posiciones extremas cuando el control deja de actuar, a
menos que quede retenida mecánicamente. Por este motivo
se aconseja mantener el control sobre la válvula durante todo
el ciclo.
7.9. TIPOS DE CENTROS DE LAS CORREDERAS
La mayoría de las válvulas de tres posiciones disponen de
una variedad de correderas intercambiables. Todas las
correderas de 4 vías poseen pasos idénticos para el caudal,
en sus posiciones extremas, con diferentes condiciones
centrales, como puede verse en la figura 7-22. El tipo de
centro abierto pone en comunicación todos los orificios y el
caudal de salida de la bomba pasa al tanque a baja presión.
El centro cerrado tiene todos los orificios bloqueados, de
forma que el caudal de salida de la bomba puede utilizarse
para otras operaciones del circuito o pasar al tanque, a través
de la válvula de seguridad, a la presión de trabajo. Otros
tipos de centro bloquean unos orificios y unen al tanque los
restantes. El centro tándem tiene los orificios "A" y "B"
bloqueados y el "P" unido al tanque, lo que permite montar
en serie o "tándem" dos o más válvulas.
Las correderas pueden mantenerse en su posición central
mediante muelles centradores, retenes accionados por muelle
(fig. 7-23), o por aceite a presión, que es el más rápido y
quizás el más positivo de los sistemas de centrado.
7.10. TIPO DG4
Las válvulas de la serie DG4 (fig. 7-24) son del tipo de
corredera deslizante mandada directamente por solenoides.
El sistema de montaje se realiza sobre placa base, lo que
permite un desmontaje fácil del cuerpo de la válvula para
mantenimiento o substitución. Los solenoides forman un
conjunto compacto y se atornillan a los extremos del cuerpo
de la válvula.
El caudal nominal de la mayoría de estas válvulas está
comprendido entre 38 y 76 1/m. Se construyen en tres
modelos diferentes: tres posiciones centradas por muelles y
dos posiciones mediante muelle o sin muelle. En la figura 7-
25 pueden verse los esquemas y símbolos gráficos de las tres
válvulas.
Las modificaciones de estos modelos incluyen formas de
mando por rodillo y de retorno por muelle (fig. 7-26), con un
interruptor eléctrico, de final de carrera, controlado por el
movimiento de la corredera, conjuntamente con distintos
tipos de solenoides para aplicaciones especiales.
7.11. TIPO DG3 y DG5
Las válvulas mayores de la serie DG son accionadas de
manera hidráulica, utilizando muchas de ellas como piloto la
válvula DG4. La figura 7-27 muestra la válvula pilotada
DG3, que también se monta sobre placa base. La corredera
se desplaza aplicando aceite a presión en uno de sus
extremos, estando el otro comunicado al tanque. Las
conexiones de presión de la válvula piloto se hacen a través
de la placa base. En algunas válvulas, de tipo más antiguo,
estas conexiones estaban en las tapas laterales.
Las válvulas DG5 son válvulas pilotadas eléctricamente,
estando la válvula piloto montada sobre el cuerpo de la
válvula principal (fig. 7-28). Ambas válvulas, DG3 y DG5,
están disponibles en las versiones de tres posiciones con
centraje por muelles y dos posiciones, con muelle o sin
muelle (fig. 7-29) con distintos tipos de corredera.
Las válvulas de 2" y mayores se montan con bridas y se
denominan DF3 (pilotadas hidráulicamente) o DF5 (pi-
lotadas eléctricamente).
7.12. FUENTES DE PRESION PILOTO
Normalmente, la presión piloto se suministra a las válvulas
DG5 a través de un pasaje interno, procedente del orificio
"P" de la válvula principal (fig. 7-29). Cuando el orificio "P"
está unido al tanque en la posición central, puede ser
necesario instalar una válvula antirretorno en la línea de
retorno al tanque, para crear una presión de pilotaje (fig. 7-
30).
Hay también casos en que puede ser deseable o necesario
utilizar un pilotaje externo. En ese caso se obtura el
orificio de pilotaje interno, y el aceite de pilotaje se
suministra a través de un orificio situado en la placa base.
Un método de conseguir el pilotaje externo es conectar dicho
orificio a la entrada de una válvula antirretomo, instalada a la
salida de la bomba, como puede verse en la figura 7-30.
Algunos modelos de la válvula tipo DGS están disponibles
con una válvula antirretorno, instalada en la línea de presión
del cuerpo de la válvula para este fin. Entonces se dispone de
la presión piloto, internamente. Ver figura 7-31.
7.13. ESTRANGULADOR PILOTO. ("Pilot choke")
Puede incorporarse un estrangulador piloto (fig. 7-32) para
regular la velocidad de desplazamiento de la corredera,
obteniéndose así inversiones más suaves o para obtener un
breve retraso o período de parada, antes de invertir el
actuador.
El estrangulador piloto funciona, en efecto, como una
válvula reguladora de caudal, montada a la salida de un
actuador. Permite una circulación libre del aceite de pilotaje
a la entrada de la corredera principal, pero restringe su paso a
la salida opuesta, creando una contra-presión que amortigua
el desplazamiento de la corredera. Los orificios de control
son ajustables y el caudal libre de entrada se obtiene
mediante válvulas antirretomo.
El estrangulador piloto está disponible para montaje directo
sobre las válvulas tipo DG3 y DF3, o entre el piloto y la
válvula principal, en las válvulas DG5 y DF5 (fig. 7-33). En
otras válvulas el estrangulador puede estar incorporado en
las tapas extremas.
7.14. PISTONES PILOTO
Los pistones piloto (fig. 7-34) se usan, a veces, cuando
correderas de válvulas grandes se desplazan hidráulicamente.
Como sólo es necesario llenar el volumen desplazado por el
pistón pequeño, se precisa menos aceite piloto y pueden
obtenerse tiempos de desplazamiento más rápidos.
Un pistón diferencial no es otra cosa que la incorporación de
un pistón simple en un extremo para obtener superficies
diferenciales. La presión constante, aplicada a la superficie
más pequeña del pistón diferencial, puede usarse para
desplazar la corredera a un lado, en vez de utilizar un muelle.
7.15. VALVULAS DECELERADORAS
Los cilindros hidráulicos tienen, frecuentemente, amorti-
guadores incorporados para decelerar los pistones en los
extremos de su carrera. Cuando es necesario decelerar un
cilindro en alguna posición intermedia, o decelerar o parar
un actuador giratorio (motor), se requiere una válvula
externa.
La mayoría de las válvulas deceleradoras son accionadas por
leva con correderas cónicas. Se usan para disminuir
gradualmente el caudal que va o viene de un açtuador y para
detener suavemente o decelerar. Una válvula “normalmente
abierta” va cortando el paso del aceite cuando su corredera
es accionada por una leva. Puede utilizarse para decelerar el
cilindro de un cabezal de taladro, desde el avance rápido al
trabajo lento, o para detener suavemente las masas pesadas y
prensas grandes.
Algunas aplicaciones requieren que una válvula deje pasar el
caudal cuando es accionada y lo corte cuando no se actúa
sobre la corredera. En este caso se usa una válvula
“normalmente cerrada”. Este tipo de válvula se usa con
frecuencia para obtener un dispositivo de enclavamiento
mediante el cual el caudal puede ser dirigido a otra rama del
circuito, cuando el actuador o la carga alcanzan una posición
determinada. Las válvulas de tipo "normalmente abierto" y
"normalmente cerrado" existen con válvulas antirretorno
incorporadas para permitir la circulación libre del aceite en
sentido contrario.
7.15.1. Correderas cónicas
Un diseño antiguo de válvula deceleradora (fig. 7-35),
utilizaba una corredera cónica para reducir el caudal cuando
era accionada por una leva. Antes de que la corredera sea
actuada, (Vista A), el aceite pasa libremente de la entrada a
la salida de la válvula. Actuando gradualmente la corredera,
el caudal se va reduciendo (Vista B). La válvula antirretorno
incorporada (Vista C) permite la circulación libre del aceite
en sentido contrario.
El intervalo de control de esta válvula depende del caudal
que la atraviesa y de la forma de la leva. Con caudal casi
máximo, es decir, con una caída de presión inicial a través de
la válvula, existe control durante toda la carrera de la
corredera. Con valores de caudal bajos, sólo una parte de la
carrera está disponible para el control, a partir del punto
donde se crea una caída de presión.
Este inconveniente ha sido superado en la válvula de orificio
ajustable que permite la regulación de la válvula para
cualquier caudal.
7.15.2. Válvula de orificio ajustable
La válvula de orificio ajustable, modelo DTl5S2, se muestra
en la figura 7-36. En esta válvula se utiliza, para controlar el
caudal, una corredera muy ajustada en su camisa, con
aberturas rectangulares o ventanas en ambas.
La corredera puede moverse dentro de la camisa y las
aberturas, en cada una de ellas, coinciden en la posición
abierta. El aceite que entra fluye a través de las pequeñas
ventanas superiores en la camisa y en la corredera, sigue por
el centro de la corredera y sale por las ventanas grandes
(Vista A). Cuando la corredera es actuada, el área de la
ventana se cierra progresivamente para detener el paso del
aceite (Vista B). Se permite el caudal en sentido contrario
mediante la válvula antirretorno incorporada.
7.15.3. Ajuste de caída de la presión inicial
Para un control preciso durante toda la carrera de la
corredera, se controla la anchura de las ventanas mediante
unos tornillos de ajuste que hacen girar la camisa. Para
caudales bajos, la abertura es estrecha; para los caudales más
elevados, es ancha. El ajuste se realiza colocando un
manómetro en un lado de la válvula y girando los tornillos
para obtener la caída de presión inicial deseada.
Esta válvula también incluye un orificio ajustable, que
permite el paso de un pequeño caudal con la corredera
completamente deprimida. Esto permite que la carga se
desplace lentamente hasta su posición final en platos
divisores y aplicaciones similares. Consiste en un pequeño
pistón con un extremo biselado y una muesca en "V", que
puede ser ajustada para derivar las fugas entre la corredera y
su camisa.
Esta válvula se construye para montar en tubería y sobre
placa base. Ambas válvulas requieren drenaje externo para
las fugas en la parte inferior de la corredera.
7.16. APLICACIONES TIPICAS
La figura 7-37 muestra una aplicación típica de una válvula
deceleradora. En este caso, se utiliza para decelerar el
cilindro de un cabezal de taladro, desde la velocidad de
avance rápido hasta la velocidad de trabajo, en un punto
predeterminado. La vista A muestra el avance rápido, con el
caudal de retorno del cilindro pasando por la válvula
deceleradora sin restricciones.
En la vista B puede verse que la corredera de la válvula está
siendo actuada por una leva. El caudal de salida del cilindro
no puede atravesar la válvula deceleradora, y atraviesa la
válvula reguladora de caudal, que ajusta la velocidad de
trabajo. En la vista C se ha desplazado la corredera de la
válvula direccional para conseguir el retorno del vástago del
cilindro. El aceite, procedente de esta válvula, pasa
libremente a través del antirretorno de la válvula
deceleradora, con independencia de la situación de la
corredera de la misma.
7.17. CUESTIONARIO
1. ¿Cuál es la función de un control de dirección?
2. ¿Qué se entiende por infinitas posiciones?
3. Explicar el funcionamiento de una válvula antirretorno.
4. ¿Cuál es la diferencia de funcionamiento entre las vál-
vulas antirretorno pilotadas "2C" y "4C"?
5. ¿Qué tipo de válvula direccional se utiliza para accionar
un cilindro de doble efecto?
6. Mencionar tres sistemas de accionar una válvula de cuatro
vías.
7. ¿Cuántas posiciones tiene una válvula direccional de
retorno por muelle? ¿Y una centrada por muelles?
8. Describir la posición central de una válvula de cuatro vías
con centro tándem.
9. ¿Cómo puede aplicarse presión piloto a una hidroválvula
de centro abierto?
10. ¿Cuál es la función de un estrangulador piloto?
11. ¿En qué sentido la válvula deceleradora de orificio ajus-
table es mejor que el diseño de pistón cónico?
Capítulo 8
SERVOVALVULAS
Una servoválwla es una válvula direccional de infinitas
posiciones, que ofrece la característica adicional de controlar
tanto la cantidad como la dirección del caudal.
Cuando se instala con los dispositivos de realimentación
adecuados, consigue controles muy precisos de la posición,
velocidad y aceleración de un actuador.
La servoválvula mecánica o válvula seguidora ha sido
utilizada durante varias décadas. La servoválvula
electrohidráulica es más reciente en la industria.
8.1. SERVO MECANICO
Un servo mecánico es esencialmente un amplificador de
fuerza, utilizado para controlar una posición. La figura 8-1
muestra esquemáticamente el dispositivo.
La palanca de control u otro acoplamiento mecánico se
conecta a la corredera de la válvula. El cuerpo de la válvula
está unido a la carga y se mueven conjuntamente. Cuando se
actúa la corredera, el fluido se dirige al cilindro o pistón para
mover la carga en la misma dirección en que la corredera es
actuada. El cuerpo de la válvula "sigue" así a la corredera. El
fluido continúa pasando hasta que el cuerpo se centra con la
corredera. El resultado es que la carga siempre se mueve a
una distancia proporcional al movimiento de la corredera.
Cualquier tendencia a desplazarse más allá invertiría el
caudal de aceite para situar la carga en su posición normal.
Frecuentemente, esta unidad servomecánica se denomina
multiplicador; el impulso hidráulico suministra fuerzas
mucho mayores que la actuación mecánica a la entrada, y
con control preciso, del desplazamiento.
Quizás la aplicación más frecuente del servo mecánico es la
dirección hidráulica. Algunas de las primeras direcciones
hidráulicas fueron desarrolladas por Harry Vickers, fundador
de la División Vickers de Sperry Rand Corporation. La
dirección hidráulica es hoy en día casi universal en
autobuses de pasajeros y se utiliza muchísimo en camiones y
otros vehículos pesados. Hay muchas variaciones en los
diseños de las direcciones hidráulicas, pero todos ellos
funcionan con el mismo principio.
8.2. SERVOVALVULAS ELECTROHIDRAULICAS
Las servoválvulas electrohidráulicas funcionan,
esencialmente, enviando una señal eléctrica a un motor par o
a un dispositivo similar, que directa o indirectamente
posiciona la corredera de la válvula. La señal al motor par
(fig. 8-2) puede ser originada por un potenciómetro
corriente, por una cinta magnética o perforada, u otro
dispositivo. Esta señal, una vez aplicada a la servoválvula a
través de un amplificador, "ordena" a la carga que se
desplace hasta una posición determinada o que adquiera una
velocidad deseada.
El amplificador recibe también una señal de respuesta
(realimentación), dada por un generador tacométrico, un
potenciómetro u otro transductor conectado a la carga. Esta
señal de respuesta se compara con la de entrada (orden) y
cualquier desviación resultante se transmite al motor par
como una señal de error, efectuándose la corrección. Los
distintos tipos de servos electrohidráulicos pueden
suministrar un control muy preciso de la posición o de la
velocidad.
La mayoría de las veces la servoválvula controla un cilindro
o un motor; pero en aquellas aplicaciones donde deben
controlarse volúmenes muy grandes, la servoválvula puede
utilizarse para regular el caudal de una bomba de
desplazamiento variable.
8.2.1. Servoválvula de corredera de una sola etapa
La figura 8-3 muestra la construcción y funcionamiento de
una servoválvula de corredera de una sola etapa. La
corredera deslizante es actuada directamente por el motor
par, y abre los orificios de la válvula proporcionalmente a la
señal eléctrica. La capacidad de caudal de este tipo de
válvulas es generalmente pequeña, debido a las pequeñas
fuerzas y a los desplazamientos limitados de la armadura del
motor par.
Esta válvula puede montarse sobre placa base con juntas
tóricas "O", atornillada sobre la misma o sobre un bloque
unido a un motor hidráulico, lo que reduce la cantidad de
aceite comprimido, que es un factor crítico en los circuitos
con servoválvula.
8.2.2. Servoválvula de corredera de dos etapas
Las servoválvulas de corredera de dos etapas (fig. 8l4) se
utilizan cuando se desean controlar caudales mayores. En
este diseño, el motor par impulsa una válvula piloto, que
dirige el caudal para desplazar la corredera de la válvula
principal, que a su vez dirige el fluido al actuador.
8.2.2.1. Realimentación mecánica
El dispositivo mecánico de realimentación de esta válvula
permite que la válvula piloto funcione como una válvula
seguidora. El movimiento de la corredera principal se
retrasmite a la camisa de la válvula piloto para "centrar"
efectivamente esta válvula, cuando la corredera principal ha
alcanzado la posición deseada. El sistema articulado es
variable, de tal forma que la relación de movimientos de la
corredera principal con relación a la de la válvula piloto
puede ser de hasta 5.5: 1.
8.2.2.2. Presión de control
La presión para controlar esta válvula proviene generalmente
de una fuente externa. Puede conseguirse de la línea de
presión principal, utilizando una válvula reductora de
presión y un acumulador. Se prefiere un suministro externo
debido a que:
1. Proporciona una flexibilidad mayor para ajustar el sis-
tema.
2. Permite un filtrado separado del fluido de control que
puede ser crítico.
3. Evita que las fluctuaciones de presión del sistema afecten
la respuesta de la corredera de la válvula piloto.
8.2.2.3. “Dither”
La mayoría de las aplicaciones de estas válvulas utilizan el
"dither" (vibración) para neutralizar el rozamiento estático y
aumentar la resistencia a la contaminación. El "dither" es
simplemente una señal alterna de baja amplitud,
normalmente de 60 ciclos, aplicada al motor par, que mueve
continuamente la corredera, reduciendo así la zona muerta.
8.2.2.4. Montaje
Las válvulas de dos etapas se montan también sobre placa
base y pueden, igualmente, montarse en un bloque unido al
motor hidráulico (fig. 8-5). El bloque mostrado lleva
incorporadas dos válvulas de seguridad y pueden también
existir orificios regulables para amortiguar las puntas de
presión.
8.2.3. Servoválvula tipo lengüeta
En la servoválvula tipo lengüeta (fig. 8-6) la corredera
deslizante es desplazada debido a la diferencia de presiones
entre sus dos extremos. Normalmente, la presión de control
es la misma en ambos extremos. Una cantidad controlada de
aceite fluye continuamente a través de unos orificios hasta
unas boquillas que terminan en la lengüeta y después retorna
al tanque.
Cuando una señal al motor par mueve la armadura, la
lengüeta se desplaza hacia una u otra de las boquillas. La
cantidad de aceite que fluye a través de los orificios hasta las
boquillas varía de forma desigual, y la presión aumenta en
un extremo de la corredera y disminuye en el otro. La
corredera se desplaza hasta que la fuerza originada por la
diferencia de presiones se equilibra con la tensión de los
muelles de la corredera. El movimiento de respuesta de la
corredera a la lengüeta se consigue mediante una articulación
mecánica. La deflexión de la lengüeta determina el recorrido
de la corredera y, por lo tanto, la cantidad de aceite
introducido. La deflexión de la lengüeta depende, a su vez,
de la intensidad de la señal eléctrica al motor par. Una señal
de entrada, de gran intensidad, determina un gran volumen
de aceite, otra, de intensidad pequeña, un volumen pequeño.
En un control de velocidad, la válvula será actuada
inicialmente por una señal de entrada intensa durante la
aceleración. A medida que la velocidad de la carga aumenta,
una señal opuesta a la misma, procedente de la carga,
disminuirá la señal efectiva al motor par, manteniendo la
suficiente para obtener la velocidad deseada.
Un control de posición suministrará una realimentación
exactamente igual a la señal de entrada, pero de polaridad
opuesta a la posición deseada. Así, la corredera de la válvula
vuelve a la posición central, cortando el paso de aceite al
actuador cuando se alcanza la posición deseada.
Debido al pequeño tamaño de los orificios y a la pequeña
diferencia de presiones, este tipo de válvulas está limitado a
aplicaciones de bajo volumen.
Otra versión de la válvula de lengüeta es la válvula Sperry
Vickers modelo SE3, que lleva un motor de fuerza, en vez de
un motor par. Véase la figura 8-7. A la válvula se le
suministra una presión fija de control. Aumentando o
disminuyendo la intensidad de la corriente eléctrica se
modifica la posición de la lengüeta, que hace variar la
abertura del orificio, suministrando una presión de salida
variable. En las vistas A y B de la figura 8-7 pueden verse
dos aplicaciones de la válvula.
8.2.4. Servoválvulas tipo "boquilla"
La servoválvula tipo "boquilla" tiene, también, una corredera
controlada por una diferencia de presiones, y dispone de
muelles centradores que se oponen a la fuerza debida a la
misma. El desplazamiento de la corredera depende de la
magnitud de esta diferencia de presiones.
8.2.4.1. Funcionamiento de la "boquilla"
La sección piloto de la válvula está formada por la boquilla y
un tubo con un orificio en uno de sus extremos, que dirige un
chorro continuo de aceite de control a un receptor adecuado
(fig. 8-8). El receptor tiene dos orificios de salida unidos a
los extremos de la corredera de la válvula. La presión es la
misma en ambos orificios cuando la boquilla está centrada
con respecto a los orificios del receptor. Siendo la presión la
misma en ambos extremos, los muelles mantienen la
corredera en su posición central.
El motor par puede desviar la boquilla en cualquiera de las
dos direcciones a una distancia proporcional a la señal
eléctrica positiva o negativa que recibe. Al desviarse la
boquilla, se origina una diferencia de presiones que empuja
la corredera contra uno de sus muelles centradores.
Los controles de posición y de velocidad se efectúan con una
señal de entrada y otra de salida, que mantienen una abertura
determinada de los orificios de la válvula o vuelven a centrar
la corredera cuando se ha obtenido la posición deseada.
8.3. CUESTIONARIO
1 . ¿En un servo mecánico, cuál es la parte de la
servoválvula que se mueve con la carga? ¿Qué parte se
mueve con el control?
2. ¿En un servo electrohidráulico de una etapa, cómo se
acciona la corredera de la válvula?
3. ¿Qué característica primaria hace que una servoválvula
sea distinta de una válvula direccional ordinaria? ¿Cuál es la
finalidad de esta característica?
4. Explicar qué es el "dither", cómo se aplica y por qué es
necesario.
5. ¿Cómo se actúa la corredera de las servoválvulas tipo
"boquilla" y tipo "lengüeta"?
Capítulo 9
CONTROLES DE PRESION
Las válvulas de control de presión realizan funciones tales
como limitar la presión máxima de un sistema o regular la
presión reducida en ciertas partes de un circuito, y otras
actividades que implican cambios en la presión de trabajo.
Su funcionamiento se basa en un equilibrio entre la presión y
la fuerza de un muelle. La mayoría son de infinitas posi-
ciones, es decir, que las válvulas pueden ocupar varias
posiciones entre completamente cerradas y completamente
abiertas, según el caudal y la diferencia de presiones.
Los controles de presión se denominan generalmente según
su función primaria, vgr. válvula de seguridad, válvula de
secuencia, válvula de frenado, etc. Se clasifican según el tipo
de conexiones, tamaño y gama de presiones de
funcionamiento. Las válvulas discutidas en este capítulo son
los controles de presión utilizados en la mayoría de los
sistemas hidráulicos industriales.
9.1 VALVULAS DE SEGURIDAD
La válvula de seguridad se halla prácticamente en todos los
sistemas hidráulicos. Es una válvula normalmente conectada
entre la línea de presión (salida de la bomba) y el depósito.
Su objeto es limitar la presión del sistema hasta un valor
máximo predeterminado mediante la derivación de parte o
de todo el caudal de la bomba a tanque, cuando se alcanza el
ajuste de presión de la válvula.
9.1.l . Válvula de seguridad simple
Una válvula de seguridad simple o de acción directa (fig. 9-1
) puede consistir en una bola u obturador mantenido en su
asiento, en el cuerpo de la válvula, mediante un muelle
fuerte. Cuando la presión en la entrada es insuficiente para
vencer la fuerza del muelle, la válvula permanece cerrada.
Cuando se alcanza la presión de abertura, la bola u obturador
es desplazado de su asiento y ello permite el paso del líquido
al tanque mientras se mantenga la presión.
En la mayoría de estas válvulas se dispone de un tornillo de
ajuste para variar la fuerza del muelle. De esta forma, la
válvula puede ajustarse para que se abra a cualquier presión
comprendida dentro de su intervalo de ajuste.
9.1.1.1. Margen de sobrepresión
La presión a la cual la válvula empieza a desviar el caudal se
denomina presión de abertura. A medida que el caudal va
aumentando a través de la válvula, el obturador es alejado
cada vez más de su asiento, originando una compresión
mayor del muelle. De esta forma, cuando la válvula deriva
todo el caudal, la presión puede ser considerablemente
mayor que la presión de abertura.
La presión a la entrada de la válvula, cuando ésta deja pasar
todo el caudal, se denomina presión de plena abertura. La
diferencia entre la presión de plena abertura y la presión de
abertura se llama margen de sobrepresión. Algunas veces el
margen de sobrepresión no es un inconveniente, en otros
casos, puede dar como resultado una pérdida de potencia
considerable debida al fluido que se pierde a través de la
válvula antes de alcanzar su ajuste máximo o puede permitir
que la presión máxima del sistema sobrepase los valores
nominales de los demás componentes.. Cuando se desee
reducir el margen de sobrepresión debe utilizarse una
válvula de seguridad compuesta.
9.1.2. Válvula de seguridad compuesta
Una válvula de seguridad compuesta (fig. 9-2) funciona en
dos etapas. La etapa piloto contiene en la tapa superior una
válvula limitadora de presión y un obturador, mantenido en
su asiento mediante un muelle ajustable. Los orificios están
en el cuerpo de la válvula y la derivación del caudal se consi-
gue mediante una corredera, equilibrada hidráulicamente,
contenida en el cuerpo.
9.1.2.1 . Corredera equilibrada
La corredera equilibrada se denomina así porque en un
funcionamiento normal (fig. 9-3 Vista A) está equilibrada
hidráulicamente.
La presión en la entrada, que actúa bajo el pistón, está
presente también en su parte superior a través de un orificio
practicado en el mismo pistón. Para cualquier presión
inferior a la de taraje, la corredera se mantiene apoyada en su
asiento mediante un muelle ligero.
Cuando la presión alcanza el taraje del muelle ajustable, el
obturador se desplaza de su asiento, limitando la presión en
la cámara superior.
El caudal restringido a través del orificio hacia la cámara
superior origina un aumento de presión en la cámara inferior
que desequilibra las fuerzas hidráulicas y tiende a elevar la
corredera.
Cuando la diferencia de presión entre las cámaras superior e
inferior es suficiente para vencer la fuerza del muelle
ligero (aproximadamente 1.40 kp/cm2 ) la corredera se
levanta de su asiento, permitiendo que el fluido pase a
tanque. Cuanto mayor sea el caudal, más se levanta la
corredera de su asiento, pero como el muelle ligero no se
comprime más hay muy poco margen de sobrepresión.
9.1.2.2. Descarga a presión reducida ("venting")
Las válvulas de seguridad compuestas pueden ser
controladas remotamente mediante un orificio situado en la
tapa superior, enfrente del obturador. Cuando este orificio se
pone en comunicación con el tanque, la única fuerza que
mantiene la corredera sobre su asiento es la del muelle
ligero, y la válvula se abrirá completamente a
aproximadamente 1.40 kp/cm2 (fig.9-4).
Algunas veces, cuando se necesita una presión de pilotaje,
este muelle normalizado puede substituirse por otro más
fuerte que origina presiones de descarga a tanque de 3.5 / 5
kp/cm2 . Otra ventaja del muelle fuerte es que da lugar a un
cierre más rápido y positivo de la corredera.
También es posible conectar una válvula de seguridad
simple al orificio de "venting" para controlar la presión
remotamente (fig. 9-5). Para ejercer el control, la válvula
situada remotamente debe ser ajustada a una presión más
baja que el taraje de la válvula piloto principal. Una aplica-
ción del control remoto puede verse en el capítulo 13.
9.2. VALVULAS TIPO R
La válvula tipo R (fig. 9-6) es una válvula de control de
presión, de corredera deslizante y de acción directa. La
corredera se puede deslizar dentro del cuerpo y se mantiene
en la posición cerrada mediante un muelle ajustable. La
presión de trabajo, aplicada a través de un orificio situado en
la tapa inferior, se opone a la fuerza del muelle. La superficie
de la corredera es tal que, con el muelle más fuerte
normalmente usado, la válvula sé abrirá aproximadamente a
9 kp/cm2. Para aumentar el intervalo de presiones, la
mayoría de los modelos incluyen un pequeño pistón en la
tapa inferior para reducir la superficie de pilotaje a 1/8 o
1/16 de la superficie de la corredera. Cuando la presión de
trabajo excede del ajuste de la válvula, la corredera se
levanta y el aceite puede pasar del orificio primario al
secundario.
En la tapa superior hay un orificio de drenaje para drenar la
cámara del muelle. Este drenaje también elimina las fugas
del aceite entre la corredera y el pistón a través de un
conducto taladrado a todo lo largo del interior de la
corredera.
Según la posición de las tapas superior e inferior, esta
válvula puede usarse como válvula de seguridad, válvula de
secuencia o válvula de descarga. Puede llevar también
incorporada una válvula antirretorno (tipo RC) que permite
la circulación libre del aceite en sentido contrario, en
aplicaciones tales como válvula de secuencia, equilibraje o
frenado.
9.2.1. Válvulas de seguridad tipo R
En la figura 9-7 puede verse la válvula R montada como
válvula de seguridad. La línea de presión está conectada al
orificio primario y el orificio secundario está unido a tanque.
Esta aplicación permite que la válvula tenga drenaje interno,
y la tapa superior está montada con el orificio de drenaje en
comunicación con el orificio secundario. La tapa inferior
está montada de forma que la presión de pilotaje está
aplicada internamente desde el orificio primario, y es
necesario que la presión del sistema exceda del taraje del
muelle para que la válvula permanezca abierta.
En la vista A, la presión del sistema, aplicada al pistón, no es
suficiente para vencer el muelle, y la válvula permanece
cerrada. En la vista B la presión ha elevado la corredera para
permitir el paso del aceite al orificio secundario y al tanque,
a la presión determinada por el taraje del muelle.
Con el pistón pequeño esta válvula puede funcionar a
presiones más elevadas, sin embargo, debido a sus
características relativamente altas de margen de supresión,
no se recomienda utilizarla como válvula de seguridad para
presiones superiores a 35 kp/cm2.
9.2.2. Válvulas de descarga tipo R
Para usar la misma válvula como válvula de descarga (fig. 9-
8) la tapa inferior se monta de forma que bloquee el pilotaje
interno. Se usa una presión externa para levantar la corredera
y derivar el caudal de la bomba al orificio secundario. El
drenaje sigue siendo interno, pues el orificio secundario
todavía está conectado al tanque.
Obsérvese la diferencia de funcionamiento entre las válvulas
de descarga y seguridad (fig. 9-7, Vista B). La válvula de
seguridad está equilibrada hidráulicamente, manteniéndose
abierta en una cierta posición, entre un número infinito de
ellas, por el caudal de aceite a su través. La presión máxima
en el orificio primario viene determinada por el ajuste del
muelle. En la válvula de descarga, sin embargo, la presión en
el orificio primario es independiente de la fuerza del muelle,
porque sobre la corredera actúa un pilotaje externo. En
cuanto la presión de pilotaje exceda 10.5 kp/cm2 al taraje del
muelle, hay circulación libre del aceite desde el orificio
primario al secundario.
9.2.3. Válvula de secuencia tipo R
Una válvula de secuencia se usa en un sistema para accionar
los actuadores en un orden determinado ara mantener una
presión mínima predeterminada en la línea primaria mientras
se produce la operación secundaria. La figura 9-9 muestra
una válvula R montada como secuencia. El fluido pasa
libremente por el orificio primario para efectuar la primera
operación hasta que se alcanza el taraje de la válvula. A
medida que se eleva la corredera (Vista B), el caudal pasa al
orificio secundario para efectuar la segunda operación. Una
aplicación típica es el bloqueo de una pieza a través del
orificio primario y el avance de un cabezal de taladro a tra-
vés del secundario, después que la pieza queda firmemente
sujeta.
Para mantener la presión en el sistema primario, la válvula
está pilotada internamente. Sin embargo el drenaje debe ser
externo, pues el orificio secundario está bajo presión cuando
la corredera se levanta para efectuar la segunda operación. Si
esta presión se comunicase al orificio de drenaje, se añadiría
a la fuerza del muelle v elevaría la presión necesaria vara
abrir la válvula.
9.2.4. Válvula de secuencia tipo RC
Cuando sea necesario que el aceite pueda atravesar
libremente una válvula de secuencia en sentido contrario, es
decir, desde el orificio secundario al primario, debe utilizarse
una válvula tipo RC (og. 9-10) que lleva incorporada una
válvula antirretorno para el retorno del fluido. En ambos ca-
sos el funcionamiento es el mismo.
9.2.5. Válvula de secuencia pilotada externamente
En algunos sistemas puede ser conveniente suministrar una
especie de enclavamiento, de tal forma que la secuencia no
se verifique hasta que el primer actuador haya alcanzado una
posición determinada. En estas aplicaciones la tapa inferior
de la válvula de secuencia se monta para ser operada
remotamente. Una válvula direccional, controlada
mecánicamente, bloquea la presión de pilotaje, para el pistón
contenido en la tapa inferior, hasta que el cilindro de
sujeción alcanza la posición deseada, entonces la válvula de
secuencia abre y dirige el caudal para la segunda operación.
9.2.6. Válvula de equilibraje tipo RC
Una válvula de equilibraje se utiliza para controlar un
cilindro vertical de tal forma que se evite su descenso libre,
debido a la fuerza de la gravedad.
El orificio primario de la válvula tipo RC se conecta al
orificio inferior del cilindro y el orificio secundario a la
válvula direccional (fig. 9-1 1 ). El taraje de la válvula tiene
que ser ligeramente superior a la presión necesaria para
mantener la carga.
Cuando el caudal de la bomba se dirige a la parte superior
del cilindro, el pistón desciende, originando un aumento de
presión en el orificio de entrada de la válvula de equilibraje
que eleva la corredera y permite que el caudal pase a tanque
a través de las válvulas de equilibraje y direccional. En los
casos en que se desee eliminar la contrapresión en la parte
anular del cilindro y aumentar la fuerza ejercida por el
vástago al final de su carrera, esta válvula puede ser también
pilotada externamente.
Cuando se desee elevar el pistón, la válvula antirretorno
incorporada permite el paso libre del aceite para el retorno
del cilindro.
La válvula de equilibraje puede llevar drenaje interno. En la
posición inferior del pistón, cuando la válvula debe de estar
completamente abierta, su orificio secundario está conectado
al depósito. Cuando el pistón se eleva, no es problema que
haya presión en el orificio de drenaje porque la válvula
antirretorno permite el paso libre del aceite.
9.2.7. Válvula de frenado tipo RC
La válvula de frenado se instala en la línea de retorno de un
motor hidráulico para: (1) evitar un exceso de velocidad
cuando se aplica una carga demasiado grande al eje del
motor y (2) evitar una presión excesiva cuando se desee
desacelerar o parar una carga.
Cuando una válvula tipo RC se utiliza como válvula de
frenado, debe llevar una corredera maciza (sin pasaje interno
de drenaje). Existe una conexión adicional para pilotaje
externo en la tapa inferior de la válvula, directamente debajo
de la corredera (fïg. 9-12). Esta conexión está unida a la
línea de presión que va al motor. El orificio de pilotaje in-
terno también se utiliza debajo del pistón pequeño y recibe
presión del orificio primario de la válvula RC, que está unido
a la línea de retorno del motor.
9.2.7.1. Acelerando la carga
Cuando se acelera la carga, la presión es máxima a la entrada
del motor y debajo del área total de la corredera de la válvula
de frenado, estando ésta completamente abierta y
permitiendo el paso libre del caudal procedente de la salida
del motor hidráulico al depósito.
9.2.7.2. E1 régimen de trabajo
Cuando el motor alcanza su velocidad de trabajo, la presión
en la línea mantiene la válvula abierta a no ser que 1a carga
tienda a acelerar mcís Ia velocidad del motor. Si esto ocurre,
la presión disminuirá a la entrada del motor y también en la
línea de pilotaje externo (Vista B). La tensión del muelle
tiende a cerrar la válvula, aumentando así la contrapresión.
Esto, a su vez, aumenta la presión a la entrada del motor y
debajo del pistón pequeño, haciendo que la válvula asuma
una posición determinada que permite una velocidad
constante del motor.
9.2.7.3. Frenando
Cuando se sitúa la válvula direccional en la posición central,
la inercia hace que el motor continúe girando. Hasta que el
motor deje de girar funcionará como una bomba, aspirando
aceite del depósito a través de la válvula direccional, y
devolviéndolo al mismo a través de la válvula de frenado.
En este momento, debido a la válvula de frenado, habrá una
presión a la salida del motor hidráulico equivalente al taraje
de la válvula de frenado y de la mayor o menor intensidad de
este ajuste dependerá el tiempo necesario para frenar el
motor.
9.2.8. Características técnicas y montaje
Las válvulas tipo R y RC se fabrican en tamaños desde 3/8"
hasta 2" con rosca cónica, con bridas o para montar sobre
una placa base.
La capacidad de caudal varía desde 45 1/min, para el tamaño
3/8", hasta 500 1/min, para los modelos de 2". El ajuste
máximo de presión es 140 kp/cm2 aunque es permisible una
presión de trabajo de hasta 210 kp/cm2.
9.3. VALVULAS DE SECUENCIA COMPUESTAS
Las válvulas de secuencia se fabrican también en modelos de
dos etapas, parecidos a la válvula de seguridad pilotada (fig.
9-13). La diferencia consiste en que en la válvula de
secuencia compuesta el drenaje es externo en vez de ser
interno, atravesando el cuerpo de la corredera, como en el
caso de la válvula de seguridad pilotada. El sistema primario
está unido a la parte inferior del pistón, mientras que el
secundario está conectado al orificio situado en la base de la
válvula. La secuencia se inicia cuando la presión en el
sistema primario se eleva aproximadamente 1.5 kp/cm2 sobre
la presión de taraje de la válvula piloto.
9.3.1 . Válvula de secuencia tipos X e Y
Dos modificaciones de la válvula de secuencia compuesta
suministran características diferentes al sistema secundario.
En el tipo Y (fig. 9-13, Vista A), el eje de la corredera es
hueco. La presión del sistema secundario, aplicada en la
parte inferior de la corredera, también lo está en la superior,
y la corredera está equilibrada hidráulicamente. La presión
del sistema secundario no influye para nada en el
movimiento de la corredera, que puede ocupar infinitas
posiciones, manteniendo la presión ajustada en el sistema
primario.
Cuando se llega a la presión de taraje de la válvula, la
corredera se eleva y el caudal puede pasar al sistema
secundario. El fluido no puede atravesar la válvula en
sentido contrario y si es necesario puede utilizarse una
válvula antirretorno para que el caudal pueda pasar del
sistema secundario al primario.
En la válvula tipo X (Vista B), el centro de la corredera es
macizo y la cámara del muelle, situada en la parte superior
de la corredera, está en comunicación con el orificio de
drenaje. Cuando la válvula se abre, al llegar al taraje del
muelle, la presión, que actúa en la parte inferior de la
corredera, la levanta completamente. La presión, en los
sistemas primario y secundario, es la misma e igual a la
presión de funcionamiento de este último. La válvula
permanecerá abierta siempre que la presión en el sistema
secundario exceda a la fuerza ejercida por el muelle de la
corredera. El fluido puede pasar libremente del sistema
secundario al primario, puesto que la tensión del muelle es
equivalente a 1 .40 kp/cm2.
9.4. VALVULAS REDUCTORAS DE PRESION
Las válvulas reductoras de presión son controles de presión,
normalmente abiertos, utilizados para mantener presiones
reducidas en ciertas partes de un circuito. Las válvulas son
actuadas por la presión de salida, que tiende a cerrarlas
cuando se llega al taraje de la válvula, evitándose así un
aumento no deseado de presión. Se utilizan válvulas
reductoras de acción directa y válvulas reductoras pilotadas.
9.4.1. Válvula reductora de acción directa
Esta válvula se muestra en la figura 9-14. Utiliza una
corredera accionada por un muelle que controla la presión de
salida.
Si la presión a la entrada es inferior al ajuste del muelle, el
líquido fluye libremente desde la entrada hasta la salida. Un
pasaje interno, unido a la salida de la válvula, transmite la
presión de salida al extremo de la corredera que no lleva
muelle.
Cuando la presión de salida llega al taraje de la válvula (fig.
9-14, vista B), la corredera se mueve, bloqueando
parcialmente el orificio de salida. Únicamente alcanza la
salida el caudal suficiente para mantener el ajuste prefijado.
Si la válvula se cerrase por completo, las fugas, a través de la
corredera, podrían originar un aumento de presión en el
circuito derivado. Esto puede evitarse haciendo que un
drenaje continuo al tanque mantenga la válvula ligeramente
abierta, impidiendo que haya una presión superior al taraje
de la misma a su salida. La válvula dispone de otro pasaje
para drenar estas fugas al tanque.
9.4.2. Válvulas reductoras pilotadas
La válvula reductora de presión pilotada (fig. 9-15) tiene un
intervalo de ajuste más amplio y generalmente suministra un
control más preciso. La presión de funcionamiento se ajusta
mediante un muelle regulable situado en la tapa superior de
la válvula. La corredera de la válvula, situada en el cuerpo
central, funciona esencialmente de la misma forma que en la
válvula reductora de acción directa, explicada anteriormente.
En la figura 9-15, vista A, puede apreciarse la situación
cuando la presión, a la entrada de la válvula, es menor que el
ajuste del muelle. La corredera está equilibrada
hidráulicamente a través de un orificio situado en su parte
central, y un muelle ligero mantiene la válvula
completamente abierta.
En la vista B, la presión ha llegado al taraje de la válvula, y
la válvula piloto deja pasar un pequeño caudal al drenaje,
limitando la presión en la parte superior de la corredera. El
caudal, a través del pasaje practicado dentro de la corredera,
origina una diferencia de presiones que la levanta
comprimiendo el muelle. La corredera cierra parcialmente el
orificio de salida y da lugar a una caída de presión entre la
entrada y el sistema secundario. El orificio de salida nunca
está completamente cerrado. Aunque no haya caudal en el
sistema secundario, habrá siempre un caudal de drenaje
continuo, de uno a dos litros por minuto, a través del pasaje
de la corredera y de la válvula piloto al tanque.
9.4.2.1. Caudal libre de retorno
La válvula mostrada en la figura 9-15 permite el paso libre
del aceite en el sentido contrario, cuando la presión del
sistema es inferior al ajuste de la válvula. Si la presión de
retorno fuese mayor, sería necesario montar, en derivación
con la válvula reductora, una válvula antirretorno, que, como
puede verse en la figura 9-16, puede estar incorporada dentro
del cuerpo de la válvula reductora.
9.4.3. Válvula de seguridad y descarga
Una válvula de seguridad y descarga (fig. 9-17) se utiliza en
los circuitos con acumuladores para (1) limitar la presión
máxima y (2) poner a descarga la bomba, cuando se alcanza
la presión deseada en el acumulador.
Esta válvula está formada por una válvula de seguridad
pilotada, una válvula antirretorno para impedir que el caudal
procedente del acumulador llegue a la bomba y un pistón
accionado hidráulicamente, que neutraliza la válvula de
seguridad a una presión escogida previamente.
9.4.4. Carga del acumulador
La vista A de la figura 9-18 muestra la situación del
acumulador cuando se está cargando. La corredera de la
válvula de seguridad está equilibrada hidráulicamente y se
mantiene apoyada en su asiento mediante la acción de un
muelle ligero. El caudal llega al acumulador a través de la
válvula antirretorno.
En la vista B se ha llegado al taraje de la válvula. El
obturador de la válvula piloto es desplazado de su asiento,
limitando la presión en la parte superior de la corredera y en
el extremo derecho del pistón que actúa sobre el obturador.
A1 aumentar la presión en el extremo izquierdo del pistón, el
obturador se abre completamente y la bomba descarga a
través de la válvula de seguridad y a la presión
correspondiente al muelle interno de su corredera. El
obturador de la válvula antirretorno está apoyado en su
asiento permitiendo que el acumulador mantenga la presión
en el sistema.
Debido a la diferencia de áreas entre el pistón y el asiento del
obturador (15 % aproximadamente), cuando la presión
disminuye al 85 % del taraje de la válvula, el obturador y la
corredera se cierran y el ciclo se repite.
9.5. CUESTIONARIO
1. Mencionar tres funciones de las válvulas de control de
presión.
2. ¿Dónde se conectan los orificios de una válvula de
seguridad?
3. ¿Qué significa presión de abertura?
4. ¿Cuál es la desventaja de una sobre-presión (margen de
supresión) en una válvula de seguridad simple?
5. ¿Cómo reduce una válvula de seguridad pilotada el
margen de supresión?
6. ¿Qué significa poner el "Venting" en una válvula de
seguridad?
7. Explicar el funcionamiento de una válvula de descarga.
8. ¿Por qué, además del muelle de ajuste variable, pueden
utilizarse dos muelles fijos, uno interno y otro externo a la
corredera, en la válvula de seguridad pilotada?
9. Citar tres aplicaciones de una válvula tipo R.
10. Citar tres aplicaciones de una válvula tipo RC.
11. ¿Para qué sirve una válvula de secuencia?
12. ¿Una válvula de secuencia, debe llevar drenaje interno o
drenaje externo?
13. ¿Para qué sirve una válvula de equilibraje?
14. ¿Cuál es la finalidad del segundo orificio de presión pi-
loto en la válvula de frenado?
15. ¿Cuál es el tipo de válvulas de secuencia que tiene
infinitas posiciones?
16. ¿Para qué sirve una válvula reductora de presión?
17. ¿Cuál es el tipo de control de presión que está
normalmente abierto?
18. ¿Cuáles son las funciones de una válvula de seguridad y
descarga?
Capítulo 10
CONTROLES DE CAUDAL
Las válvulas reguladoras de caudal se utilizan para regular la
velocidad. Como ya se mencionó en capítulos anteriores, la
velocidad de un actuador depende de la cantidad de aceite
que se le envía por unidad de tiempo. Es posible regular el
caudal con una bomba de desplazamiento variable, pero en
muchos circuitos es más práctico utilizar una bomba de
desplazamiento fijo y regular el caudal con una válvula
reguladora de caudal.
10.1. SISTEMAS DE REGULAR EL CAUDAL
Existen tres métodos básicos para aplicar las válvulas
reguladoras de caudal para controlar la velocidad de los
actuadores: regulación a la entrada, regulación a la salida y
regulación ,por substrácción.
10.1.l. Circuito de regulación a la entrada
En este circuito, la válvula reguladora de caudal se coloca
entre la bomba y el actuador (fig. 10-1); de esta forma
controla la cantidad de fluido que entra en el actuador. El
exceso de caudal suministrado por la bomba es desviado al
tanque a través de la válvula de seguridad.
Con la válvula instalada en la línea de entrada al cilindro,
como puede verse en la figura, el caudal es controlado en
una sola dirección y debe incorporarse una válvula
antirretorno, dentro de la válvula reguladora, o montarla en
derivación con la misma, para permitir el retorno libre del
fluido. Si se desease controlar la velocidad en ambas
direcciones, el regulador de caudal podría instalarse a la
salida de la bomba, antes de la válvula de control
direccional.
Este método es muy preciso y se utiliza en aquellas
aplicaciones donde la carga siempre se opone al movimiento
del actuador, tales como la elevación de un cilindro vertical
con carga, o empujar una carga a una velocidad controlada.
10.1.2. Circuito de regulación a la salida
Este sistema de control (fig. 10-2) se utiliza cuando la carga
tiende a huir del actuador, desplazándose en la misma
dirección que éste. El regulador de caudal se instala de forma
que restrinja el caudal de salida del actuador.
Para regular la velocidad en ambas direcciones puede
instalarse la válvula en la línea de tanque de la válvula
direccional. Frecuentemente hay necesidad de controlar el
caudal únicamente en una sola dirección y la válvula se sitúa
entre el actuador y la válvula direccional en la línea que
corresponde al tanque. Aquí también hace falta una válvula
antirretomo que permita el paso libre del caudal en sentido
contrario.
10.1.3. Circuito de regulación por substracción
En esta aplicación (fig. 10-3), la válvula se coloca en la línea
de presión, en la forma indicada en la figura, y la velocidad
del actuador se determina, desviando parte del caudal de la
bomba al tanque; la ventaja consiste en que la bomba trabaja
a la presión, que pide la carga, puesto que el exceso de
caudal retorna al tanque a través de la válvula reguladora y
no a través de la válvula de seguridad.
La desventaja está en la pérdida de precisión, debido a que el
caudal regulado va al tanque y no al actuador, y éste último
queda sometido a las variaciones de desplazamiento de la
bomba al variar la carga del actuador.
Este circuito no debe aplicarse cuando hay posibilidad de
que la carga tienda a huir en la misma dirección que el
movimiento del actuador.
10.2. TIPOS DE REGULADORES DE CAUDAL
Hay dos tipos básicos de válvulas reguladoras de caudal
compensadas por presión y no compensadas por presión.
Estas últimas se utilizan cuando las presiones permanecen
relativamente constantes y las variaciones de velocidad no
son demasiado críticas. Puede controlarse el caudal con
sistemas tan sencillos como un estrangulamiento fijo o una
válvula de aguja variable, aunque existen unidades más
sofisticadas que llevan incorporada una válvula antirretorno
(fig. 10-4) para retorno libre del fluido en sentido contrario.
La utilización de las válvulas no compensadas por presión es
limitada, puesto que el caudal a través de un orificio es
sensiblemente proporcional a la raíz cuadrada de la pérdida
de presión ( P) a través del mismo, lo que significa que
cualquier variación apreciable de la carga afectará a1 control
de la velocidad. Los reguladores de caudal compensados por
presión se clasifican en tipos de: compensación por
estrangulamiento en serie, y compensación por derivación de
caudal. Ambos tipos utilizan un compensador o hidrostato
para mantener una caída de presión constante a través de una
restricción regulable.
10.2.1. Tipo compensación por derivación de caudal
Este tipo combina una protección contra las sobrecargas con
una regulación de caudal compensada por presión (fig. 10-
5). Lleva incorporado un hidrostato normalmente cerrado,
que se abre para desviar al tanque el caudal que excede del
taraje de la válvula. La presión necesaria para mover la carga
está aplicada en la cámara superior del hidrostato y
conjuntamente con la acción de un muelle ligero tiende a
mantenerlo cerrado. La presión en la cámara inferior del
hidrostato aumenta debido al estrangulamiento y hace que
éste desvíe al tanque el exceso de caudal, cuando la
diferencia de presiones es suficiente para vencer el muelle.
Obsérvese que el hidrostato está equilibrado hidráulicamente
debido a que el área sometida a la acción de la presión, a la
salida de la bomba, iguala al área en la parte superior del
hidrostato.
La diferencia entre ambas presiones, generalmente 1.40
kp/cm2, se mantiene a través del estrangulamiento,
suministrando un caudal constante con independencia de las
fluctuaciones de la carga. Se ahorra también consumo de
energía debido a que la bomba trabaja a una presión que
excede únicamente en 1 .40 kp/cm2 a la que pide la carga.
La protección contra las sobrecargas se obtiene por medio de
un obturador actuado por un muelle regulable, que limita la
presión máxima en la cámara superior del hidrostato y que
actúa como una válvula de seguridad pilotada.
Este tipo de válvula únicamente puede utilizarse en los
circuitos con, regulación a la entrada, si se utilizase en un
circuito con regulación a la salida, el exceso de caudal que
no pudiese pasar por el estrangulamiento sería desviado al
tanque, permitiendo la fuga de la carga.
10.2.2. Tipo compensación por estrangulamiento en serie
Esta válvula mantiene también una diferencia de presiones
de 1.40 kp/cm2 a través de un estrangulamiento variable
mediante un hidrostato (fig. 10-6). En esta válvula, el
hidrostato está normalmente abierto y tiende a cerrarse,
bloqueando el paso al caudal en exceso del taraje de la
válvula.
En estas unidades, la presión originada por la carga actúa
contra un muelle ligero, situado en la parte superior del
hidrostato, tendiendo a mantenerlo abierto. La presión, a la
entrada del estrangulamiento regulable y en la parte inferior
del hidrostato, tiende a cerrarlo, permitiendo que únicamente
pase por el estrangulamiento variable el caudal
correspondiente a la presión diferencial de 1 .40 kp/cm2.
Debido a su tendencia a cortar el paso del fluido cuando el
caudal tiende a exceder del ajuste, este tipo de válvulas
pueden utilizarse en los circuitos de regulación a la entrada,
a la salida y por substracción. Al contrario del tipo de
compensación por derivación de caudal, pueden ser
utilizadas dos o más válvulas de este tipo con la misma
bomba, puesto que el exceso de caudal pasa a tanque a través
de la válvula de seguridad.
Cuando esta válvula se instala a la entrada o salida de un
actuador puede utilizarse opcionalmente con una válvula
antirretorno incorporada para permitir el paso libre del fluido
en el sentido contrario (fig. 10-7). La válvula antirretorno no
es necesaria cuando la válvula reguladora de caudal se
coloca directamente en la línea de presión antes de la válvula
direccional o en un circuito de regulación por substracción.
10.2.3. Válvula reguladora de caudal compensada por
temperatura
El caudal a través de un regulador de caudal compensado por
presión varía al variar la temperatura del aceite. Los últimos
diseños de las válvulas Sperry Vickers llevan incorporada
una compensación por temperatura. Aunque el aceite fluye
con más facilidad cuando se calienta, puede conseguirse un
caudal constante disminuyendo las dimensiones de un
orificio cuando aumenta la temperatura.
Eso se consigue mediante una varilla compensadora que se
dilata al aumentar la temperatura y se contrae cuando ésta
disminuye (fig. 10-8). El dispositivo de restricción es un
sencillo pistón que puede moverse en ambas direcciones
sobre el orificio de ajuste. La varilla compensadora se coloca
entre el pistón y el orificio.
Este modelo está también disponible con una válvula
antirretorno incorporada para la circulación libre del aceite
en el sentido contrario.
10.2.4. Válvulas de control de caudal con mando a
distancia
Estas válvulas (fig. 10-9) permiten ajustar las dimensiones
del estrangulamiento mediante una señal eléctrica. La
corredera de ajuste está unida mecánicamente a la armadura
de un motor par y se mueve según las señales eléctricas que
éste recibe. Su funcionamiento es el mismo que el regulador
de caudal compensado por presión.
10.3. CUESTIONARIO
1. Mencionar dos sistemas de regular el caudal que llega a
un actuador.
2. ¿Cuáles son los tres sistemas de aplicar las válvulas de
control de caudal?
3. ¿En qué condiciones pueden aplicarse cada uno de estos
sistemas?
4. ¿Cómo puede la misma válvula controlar el caudal en
ambos sentidos de un actuador?
5. ¿Cuál es la diferencia entre un regulador de caudal
"compensado por estrangulamiento en serie" o por "división
de caudal"?
6. ¿Qué significa "compensación" por presión?
7. ¿Con qué símbolo se indica la compensación por
temperatura?
8. ¿Cuándo puede ser necesaria la compensación por
temperatura?
9. ¿Cuál es la ventaja de una válvula reguladora de caudal
con protección contra las sobrepresiones sobre una válvula
reguladora de caudal convencional?
10. ¿Cómo está situada la corredera de regulación en una
válvula reguladora de caudal con mando a distancia?
Capítulo 11
BOMBAS HIDRAULICAS
La bomba es probablemente el componente más importante
y menos comprendido del sistema hidráulico. Su función
consiste en transformar la energía mecánica en energía hi-
dráulica, impulsando el fluido hidráulico en el sistema.
Las bombas se fabrican en muchos tamaños y formas -
mecánicas y manuales- con muchos mecanismos diferentes
de bombeo y para aplicaciones muy distintas. No obstante,
todas las bombas se clasifican en dos categorías básicas:
hidrodinámica e hidrostática.
11.1. BOMBAS HIDRODINAMICAS
Las bombas hidrodinámicas o de desplazamiento no positivo
tales como los tipos centrífugos o de turbina, se usan
principalmente para transferir fluidos donde la única
resistencia que se encuentra es la creada por el peso del
mismo fluido y el rozamiento.
La mayoría de las bombas de desplazamiento no positivo
(fig. 11-1) funcionan mediante la fuerza centrífuga, según la
cual el fluido, al entrar por el centro del cuerpo de la bomba,
es expulsado hacia el exterior por medio de un impulsor que
gira rápidamente. No existe ninguna separación entre los
orificios de entrada y de salida, y su capacidad de presión
depende de la velocidad de rotación.
Aunque estas bombas suministran un caudal uniforme y
continuo, su desplazamiento disminuye cuando aumenta la
resistencia. Es, de hecho, posible bloquear completamente el
orificio de salida en pleno funcionamiento de la bomba. Por
ésta y otras razones las bombas de desplazamiento no
positivo se utilizan muy pocas veces en los sistemas
hidráulicos modernos.
11.2. BOMBAS HIDROSTATICAS
Como indica su nombre, las bombas hidrostáticas o de
desplazamiento positivo suministran una cantidad
determinada de fluido en cada carrera, revolución o ciclo. Su
desplazamiento, exceptuando las pérdidas por fugas, es
independiente de la presión de salida, lo que las hace muy
adecuadas para la transmisión de potencia.
11.2.1. Características de las bombas
Las bombas se clasifican generalmente por su presión
máxima de funcionamiento y por su caudal de salida en
1/min a una velocidad de rotación determinada.
11.2.2. Valores nominales de la presión
La presión nominal de una bomba viene determinada por el
fabricante y está basada en una duración razonable en
condiciones de funcionamiento determinadas. Es importante
observar que no existe un factor de seguridad normalizado
correspondiente a esta estimación. Trabajando a presiones
más elevadas se puede reducir la duración de la bomba o
causar daños serios.
11.2.3. Desplazamiento
La capacidad de caudal de una bomba puede expresarse con
el desplazamiento por revolución o con el caudal en 1/min.
El desplazamiento es el volumen de líquido transferido en
una revolución. Es igual al volumen de una cámara de
bombeo multiplicado por el número de cámaras que pasan
por el orificio de salida durante una revolución de la bomba.
El desplazamiento se expresa en centímetros cúbicos por
revolución.
La mayoría de las bombas tienen un desplazamiento fijo que
no puede modificarse mas que sustituyendo algunos
componentes. En ciertas bombas, no obstante, es posible
variar las dimensiones de la cámara de bombeo por medio de
controles externos, variando así el desplazamiento.
En determinadas bombas de paletas no equilibradas
hidráulicamente y en muchas bombas de pistones puede
variarse el desplazamiento desde cero hasta un valor
máximo, teniendo algunas la posibilidad de invertir la
dirección del caudal cuando el control pasa por la posición
central o neutra.
11.2.4. Caudal
Una bomba viene caracterizada por su caudal nominal en
litros por minuto: por ejemplo, 40 1/min. En realidad puede
bombear más caudal en ausencia de carga y menos a su
presión de funcionamiento nominal. Su desplazamiento es
también proporcional a la velocidad de rotación. La mayoría
de los fabricantes facilitan una tabla o gráfico (fig. 11-2) que
muestra los caudales de las bombas y los requerimientos de
potencia, bajo condiciones de ensayo específicas, relativas a
las velocidades de accionamiento y a las presiones.
11.2.5. Rendimiento volumétrico
En teoría una bomba suministra una cantidad de fluido igual
a su desplazamiento por ciclo o revolución. En realidad el
desplazamiento efectivo es menor, debido a las fugas
internas. A medida que aumenta la presión, las fugas desde
la salida de la bomba hacia la entrada o al drenaje también
aumentan y el rendimiento volumétrico disminuye.
El rendimiento volumétrico es igual al caudal real de la
bomba dividido por el caudal teórico. Se expresa en forma
de porcentaje.
Caudal real
Rendimiento volumétrico = ------------------
Caudal teórico
Por ejemplo, si una bomba debe dar teóricamente un caudal
de 40 1/min, pero da realmente sólo 36 1/min, a una presión
de 70 kp/cm2, su rendimiento volumétrico, a esta presión,
será del 90 %.
9
Rendimiento volumétrico = --------- = 0.9 ó 90 %
10
11.3. BOMBA DE ENGRANAJES
Una bomba de engranajes (fig. 11-3) suministra un caudal,
transportando el fluido entre los dientes de dos engranajes
bien acoplados. Uno de los engranajes es accionado por el
eje de la bomba y hace girar al otro. Las cámaras de bombeo,
formadas entre los dientes de los engranajes, están cerradas
por el cuerpo de la bomba y por las placas laterales
(llamadas frecuentemente placas de presión o de desgaste).
Los engranajes giran en direcciones opuestas, creando un
vacío parcial en la cámara de entrada de la bomba. El fluido
se introduce en el espacio vacío y es transportado, por la
parte exterior de los engranajes, a la cámara de salida.
Cuando los dientes vuelven a entrar en contacto los unos con
los otros, el fluido es impulsado hacia afuera. La alta presión
existente a la salida de la bomba impone una carga no
equilibrada sobre los engranajes y los cojinetes que los
soportan.
La figura 11-4 muestra una bomba típica de engranajes
internos. En este modelo, las cámaras de bombeo también
están formadas entre los dientes de los engranajes. Una pieza
de separación, en forma de media luna, está mecanizada en
medio de los engranajes y situada entre los orificios de
entrada y de salida, donde la holgura de los dientes de los
engranajes es máxima.
En la misma familia de bombas de engranajes se incluye
también la bomba de rotor en forma de lóbulos (fig. 11-5).
Esta bomba funciona según el mismo principio que la bomba
de engranajes externos pero tiene un desplazamiento mayor.
La bomba gerotor (fig. 11~) funciona de forma muy similar
a la bomba de engranajes internos. El rotor interno es girado
externamente y arrastra al rotor externo. Las cámaras de
bombeo se forman entre los lóbulos del rotor. La pieza de
separación, en forma de media luna, no se utiliza en este
caso pues los dientes del rotor interno entran en contacto con
el rotor externo para cerrar las cámaras.
11.3.1. Caracterfsticas de las bombas de engxanajes
La mayoría de las bombas de engranajes son de
desplazamiento fijo y pueden desplazar desde pequeños
hasta grandes volúmenes de fluido. Debido a que son
bombas no equilibradas hidráulicamente, son por lo general
unidades de baja presión, aunque existen bombas de
engranajes que alcanzan hasta 250 kp/cm2 de presión.
Las fugas internas aumentan con el desgaste de la bomba, no
obstante, estas bombas tienen una duración razonable y
poseen mayor tolerancia a la suciedad que los otros tipos.
Una bomba de engranajes con muchas cámaras de bombeo
genera frecuencias elevadas y, por consiguiente, tiende a
hacer más ruido aunque se han introducido mejoras
considerables en los últimos años.
11.4. BOMBAS DE PALETAS
El principio de funcionamiento de una bomba de paletas está
ilustrado en la figura 11-7. Un rotor ranurado está acoplado
al eje de accionamiento y gira dentro de un anillo ovalado.
Dentro de las ranuras del rotor están colocadas las paletas,
que siguen la superficie interna del anillo cuando el rotor
gira. La fuerza centrífuga y la presión aplicada en la parte
inferior de las paletas las mantienen apoyadas contra el
anillo. Las cámaras de bombeo se forman entre las paletas,
rotor, anillo y las dos placas laterales.
Un vacío parcial se crea a la entrada de la bomba a medida
que va aumentando el espacio comprendido entre el rotor y
el anillo. El aceite que entra en este espacio queda encerrado
en las cámaras de bombeo y es impulsado hacia la salida
cuando este espacio disminuye. El desplazamiento de la
bomba depende de la anchura del anillo y del rotor y de la
separación entre los mismos (fig. I 1-8).
11.4.1. Diseño no equilibrado
La construcción de la bomba, mostrada en la fïgura 1 1-7, es
del tipo no equilibrado hidráulicamente y el eje está
sometido a cargas laterales, procedentes de la presión que
actúa sobre el rotor. El diseño no equilibrado se aplica
principalmente a las bombas de caudal variable (fig. 11 -9).
El desplazamiento de esta bomba puede variar mediante un
control externo, tal como un volante o un compensador
hidráulico. El control desplaza el anillo haciendo variar la
excentricidad entre éste y el rotor, reduciendo o aumentando
así las dimensiones de la cámara de bombeo.
11.4.2. Diseño equilibrado
La mayoría de las bombas de paletas de desplazamiento fijo
construidas hoy en día utilizan el conjunto equilibrado
diseñado por el Sr. Harry Vickers, que desarrolló la primera
bomba de paletas equilibrada hidráulicamente, de alta
presión y de velocidad elevada, en la década de 1920. Esta
bomba y los inventos posteriores del Sr. Vickers
contribuyeron substancialmente al rápido crecimiento de la
industria de la energía hidráulica y la compañía, por él
fundada, se conoce, hoy en día, con el nombre de Sperry
Vickers de la Sperry Rand Corporation.
En este diseño el anillo es elíptico en vez de ser circular, lo
que permite utilizar dos conjuntos de orificios internos (fig.
11-10). Los dos orificios de salida están separados entre sí
180° de tal forma que las fuerzas de presión sobre el rotor se
cancelan, evitándose así las cargas laterales sobre el eje y los
cojinetes.
El desplazamiento de la bomba equilibrada hidráulicamente
no puede ajustarse, aunque se dispone de anillos
intercambiables (fig. 1 1-8) con elipses distintas, haciendo
así posible modificar una bomba para aumentar o disminuir
su caudal.
11.4.3. Bombas de paletas tipo "redondo"
Un modelo antiguo de la bomba Vickers equilibrada
hidráulicamente puede verse en la figura I 1-11. Debido a la
forma del cuerpo y de la tapa, estas bombas se conocen con
el nombre de bombas redondas. El conjunto rotativo o
cartucho está formado por un anillo, rotor, paletas, pasador
de posición y dos placas laterales denominadas generalmente
anillos porque sus partes centrales están mecanizadas para
encajar en las partes centrales del rotor. Los cojinetes de
soporte del eje de accionamiento están situados en la tapa y
en el cuerpo.
11.4.4. Bombas redondas dobles
La bomba redonda también se fabrica en diversas versiones
dobles, con dos conjuntos rotatorios accionados por el
mismo eje. En la figura 11-12 puede verse una bomba doble
típica y en la figura 1 I-13 una aplicación de la misma.
11.4.5. Bombas de dos etapas
Una bomba de dos etapas (fig. 11-14) funciona como una
bomba simple pero tiene una presión nominal doble. El
cartucho de la bomba redonda fue diseñado para una presión
máxima de 70 kp/cm2 . En la versión de dos etapas se
montan dos cartuchos en serie (fig. 11-15) y las presiones de
funcionamiento hasta 140 kp/cm2 se dividen, igualmente,
entre ellos mediante una válvula divisora. Los dos pistones
de esta válvula reciben presión; uno de salida de la bomba y
otro de la cámara intermedia entre los dos grupos giratorios.
El pistón sometido a la presión de salida tiene un área que es
la mitad de la del pistón sometido a la presión de la cámara
intermedia.
Cualquier diferencia en los desplazamientos de los dos
grupos giratorios tiende a aumentar o a disminuir la presión
intermedia, lo que origina que los pistones se muevan para
permitir la entrada o la salida de caudal en la cámara
intermedia, según se requiera, asegurando caídas de presión
iguales en cada etapa.
11.5. BOMBAS COMBINADAS
Las bombas combinadas (fig. 1 1-16) son bombas dobles que
llevan incorporadas válvulas de seguridad y de descarga.
Una unidad típica (fig. 1 I-17) consiste en dos conjuntos
giratorios dentro del mismo cuerpo, con un solo orificio de
entrada y dos orificios separados de salida. La válvula de
seguridad incorporada es del tipo pilotado y de corredera
equilibrada y la válvula de descarga es del tipo "R". Una
válvula antirretorno está instalada en la línea entre las dos
salidas en algunas combinaciones, en otras, esta válvula
antirretorno se reemplaza por un tapón. Con las válvulas
la bomba es realmente un circuito completo, faltando
únicamente el tanque, la válvula direccional y el actuador.
Sigue a continuación una breve descripción de las com-
binaciones más frecuentemente utilizadas.
11.5.1. Combinación 3 - Sistema de descarga con salida
única
Para conservar la energía eléctrica, la bomba del tipo
combinación 3 puede utilizarse, en lugar de una bomba
simple, en las aplicaciones que requieran un volumen grande
de aceite para obtener la aproximación rápida de un cilindro
a baja presión y un volumen pequeño a alta presión, para
operaciones de fijación, prensado o trabajo lento. El orificio
de salida de la unidad de gran caudal está taponado y los
caudales de los dos cartuchos están unidos a través de la
válvula antirretorno (fig. I 1-18). Una válvula de seguridad
está conectada a la línea de presión de la bomba pequeña, y
una válvula de descarga a la salida de la bomba mayor.
11.5.2. Avance a baja presión
Cuando la carga avanza inicialmente, la presión es inferior al
ajuste de las dos válvulas, y ambas permanecen cerradas. El
caudal procedente de la bomba mayor atraviesa la válvula de
seguridad y se une al caudal procedente de la bomba menor
que va al actuador.
11.5.3. Caudal pequeño a alta presión
Cuando la presión, a la salida de la bomba, excede del ajuste
de la válvula de descarga, el caudal procedente de la bomba
mayor es desviado al tanque a presión prácticamente nula y
la válvula antirretorno se cierra. La bomba menor continúa
enviando aceite al sistema hasta llegar al taraje de la válvula
de seguridad, que se abre y desvía el caudal de la bomba
pequeña al tanque. La potencia de entrada, suministrada por
un motor eléctrico, se determina por la mayor de las
condiciones siguientes: caudal total de los dos grupos
giratorios a la presión del taraje de la válvula de descarga, o
caudal de la unidad menor a la presión de taraje de la válvula
de seguridad, más todo lo que sea necesario para descargar la
unidad mayor. Para asegurar un funcionamiento adecuado, la
válvula de descarga debe tararse por lo menos 10.5 kp/cm2
más baja que el ajuste de la válvula de seguridad.
11.5.4. Combinación 33 - Sistema de descarga con ajuste
único
Esta combinación es una variación de la combinación 3,
simplificando el ajuste con un solo taraje de presión. La pre-
sión de la válvula de descarga se ajusta automáticamente 9
kp/cm2 más baja que el taraje de la válvula de seguridad. El
funcionamiento es como sigue (fig. 11-19).
Como en la combinación 3, ambas válvulas permanecen
cerradas cuando la presión de salida es inferior a sus tarajes
y el caudal de ambas unidades se dirige al sistema.
Cuando la presión de salida llega al taraje de la válvula de
descarga, el obturador de ésta se abre y, consiguientemente,
la corredera se levanta y el caudal, procedente de la bomba
mayor, descarga al tanque a baja presión. La válvula
antirretorno se cierra, impidiendo que la bomba menor
descargue también al tanque. Durante esta fase de descarga,
la presión en la cámara piloto, en la parte posterior del
obturador de la válvula de seguridad, se mantiene al ajuste
de la válvula de descarga. La presión máxima del sistema, es
decir, el taraje de la válvula de seguridad viene determinado
por la presión en la cámara y por el muelle, no ajustable,
situado detrás del obturador. La válvula de seguridad se abre
cuando la presión del sistema excede del ajuste de la válvula
de descarga en 9 kp/cm2, que es la presión necesaria para
vencer el muelle fijo de la válvula de seguridad.
11.5.6. Combinación 6 - Sistema con dos líneas de salida En la combinación 6 (fig. 11-20) se coloca un tapón en el
pasaje de interconexión, de forma que cada unidad funciona
separadamente y tiene su orificio de salida. La válvula "R"
se modifica para que funcione como una válvula de
seguridad pilotada, para la bomba de más caudal, mientras
que la bomba menor está pilotada como en las otras
combinaciones.
11.5.7. Otras combinaciones
Estas unidades permiten otras combinaciones, no obstante,
sus aplicaciones son tan poco frecuentes que no es preciso
detallarlas.
11.5.8. Bombas de paletas tipo "cuadrado"
Estas bombas (fig. 11-21) fueron fabricadas originalmente
para aplicaciones móviles. También están equilibradas
hidráulicamente, pero su construcción es mucho más sencilla
que la de las bombas redondas. El conjunto rotativo o
cartucho está formado por un anillo (colocado entre el
cuerpo de la bomba y la tapa), un rotor, doce paletas y una
placa de presión fijada por un muelle. El orificio de entrada
se encuentra en el cuerpo de la bomba y el de salida en la
tapa, que puede ser montada en cuatro posiciones distintas
para conveniencias del montaje.
11.5.9. Funcionamiento
El muelle (fig. 1 1-22) mantiene, en todo momento, la placa
de presión en posición contra el anillo. A medida que la
presión de salida aumenta, actúa con el muelle para fijar la
placa contra el anillo y el rotor, venciendo las fuerzas
internas que tienden a separarlos; las holguras adecuadas
vienen determinadas por las anchuras relativas del anillo y
del rotor.
El arranque inicial se consigue haciendo girar el rotor y el
eje a velocidad suficiente (aproximadamente 600 r.p.m.) para
que la fuerza centrífuga impulse las paletas contra el anillo,
iniciando la acción de bombeo. Una ranura circular continua
en la placa de presión permite que el fluido a presión actúe
en las cámaras formadas en la parte inferior de las paletas
cuando éstas se deslizan en las ranuras del rotor,
manteniéndolas apretadas contra el anillo y no permitiendo
el retorno del fluido.
Si es necesario invertir la dirección de rotación del eje, el
anillo debe desmontarse, colocándolo de nuevo invertido.
Las flechas direccionales, grabadas en el borde exterior del
anillo, facilitan el cambio.
Estas bombas se fabrican en diversos tamaños con cartuchos
de desplazamientos distintos, disponibles para cada modelo.
Las bombas dobles tienen una entrada común situada entre
las dos unidades (véase la fig. 11-23). La salida de una de
ellas, generalmente la mayor, está situada en el lado del eje y
la otra en el lado de la tapa.
La construcción del cartucho es esencialmente la misma que
en las unidades simples, lo que hace posible numerosas
combinaciones de tamaños y desplazamientos.
11.5.10. Bombas de paletas de alto rendimiento
El modelo más reciente de bombas de paletas equilibradas
hidráulicamente es la serie de alto rendimiento para
presiones más elevadas y mayores velocidades de
accionamiento. Una bomba simple típica de este modelo se
muestra en la figura 11-25. El funcionamiento es
esencialmente el mismo que en las bombas cuadradas
correspondientes. Hay, sin embargo, diferencias importantes
en el diseño de las mismas.
11.5.11. Diseño de la doble paleta
Los cartuchos de alto rendimiento llevan incorporadas unas
pequeñas paletas internas, dentro de las paletas mayores para
hacer variar la fuerza de contacto de éstas contra el anillo, en
los cuadrantes de alta y baja presión (fig. 1 1-26).
Las bombas redondas y cuadradas, anteriormente
mencionadas, utilizan la presión de salida en la parte inferior
de las paletas en todo momento. En las unidades de alto
rendimiento, debido a las relaciones de tamaño y presión
disponibles, esa característica podría originar cargas
elevadas y desgastes prematuros entre las puntas de las
paletas y el contorno interno del anillo; para evitar esto, unos
agujeros, taladrados a través de los segmentos del rotor,
mantienen siempre la misma presión en los dos extremos de
la paleta. La presión de salida se aplica constantemente a la
pequeña superficie entre la paleta y la paleta interna; esta
presión, además de la fuerza centrífuga, mantiene las paletas
en contacto con el anillo, en los cuadrantes de entrada, para
asegurar un funcionamiento correcto.
11.5.12. Cartucho de recambio
El cartucho utilizado en la bomba de alto rendimiento (fig.
12-27) forma un conjunto compacto e independiente y está
formado por un anillo, rotor, paletas dobles, placa de
presión, placa de desgaste, pasadores y tornillos. Hay
disponibles cartuchos de substitución (previamente
comprobados) para recambio rápido.
Están montados para girar a la derecha o a la izquierda pero,
si es necesario, pueden volver a montarse para girar en
sentido opuesto. Las flechas y los pasadores sirven como
guías del sentido de rotación.
Cuando están montados correctamente, la dirección del
caudal continúa siendo la misma en ambos sentidos de
rotación.
11.5.13. Posiciones de los orificios
La serie de las bombas de alto rendimiento, así como las
bombas cuadradas, se construyen de tal forma que la
posición relativa de los orificios pueda cambiarse fácilmente
según cuatro combinaciones posibles; esto se consigue
sacando los tornillos de fijación y girando la tapa.
Dos pasadores encajando en dos orificios de la tapa facilitan
el montaje del cartucho en la misma y aseguran la posición
correcta del conjunto.
11.5.14. Características de funcionamiento de las bombas
de paletas
Las bombas de paletas cubren la gama de caudales bajos a
bastante elevados, con presiones de funcionamiento de hasta
210 kp/cm2 . Son seguras, eficientes y fáciles de mantener.
La superficie interna del anillo y las puntas de las paletas son
las zonas de mayor desgaste, que queda compensado al
moverse las paletas más hacia afuera de las ranuras del rotor.
La limpieza y un fluido adecuado son condiciones esenciales
para una larga duración. Se recomienda aceite mineral
procedente del petróleo con cualidades antidesgaste
adecuadas. No obstante, muchas bombas de paletas están
funcionando bien con fluidos sintéticos.
11.6. BOMBAS DE PISTONES
Todas las bombas de pistones funcionan según el principio
de que un pistón, moviéndose alternativamente dentro de un
orificio, aspirará fluido al retraerse y lo expulsará en su
carrera hacia adelante.
Los dos diseños básicos son radial y axial; ambos están
disponibles con desplazamiento fijo o variable. Una bomba
radial tiene los pistones dispuestos radialmente en un bloque
de cilindros o barrilete (fig. 11-28), mientras que en las
unidades axiales, los pistones son paralelos entre sí y con el
eje de barrilete (fig. 11-32). Existen dos versiones para este
último tipo: en línea (con una placa inclinada) y en ángulo.
11.6.1. Bombas de pistones radiales
En una bomba radial, el bloque de cilindros gira sobre un
pivote estacionario y dentro de un anillo circular o rotor. A
medida que el bloque va girando, la fuerza centrífuga, la
presión hidráulica o alguna forma de acción mecánica,
obliga a os pistones a seguir la superficie interna del anillo,
que es excéntrico con relación al bloque de cilindros. Al
tiempo que los pistones se desplazan alternativamente en sus
cilindros, los orificios localizados en el anillo de distribución
les permiten aspirar fluido cuando se mueven hacia afuera y
descargarlo cuando se mueven hacia adentro.
El desplazamiento de la bomba viene determinado por el
tamaño y número de los pistones y, naturalmente, por la
longitud de su carrera. Existen modelos en los que el
desplazamiento puede variar moviendo el anillo circular para
aumentar o disminuir la carrera de los pistones. Hay
disponibles, también, controles externos de varios tipos para
este fin.
11.6.2. Bombas de pistones en línea con placa inclinada
En las bombas de pistones en línea, el conjunto de los
cilindros y el eje de accionamiento tienen la misma línea
central y los pistones se mueven alternativamente en sentido
paralelo al eje. El tipo más sencillo de estas bombas se
muestra en la figura 1 1-29.
El eje de accionamiento hace girar el barrilete, conteniendo
los pistones, que están ajustados en sus alojamientos y
conectados mediante patines y un anillo inclinado, de forma
que los patines están apoyados sobre una placa circular
inclinada (placa de presión).
A medida que el barrilete gira (fig. 11-30), los patines siguen
la inclinación de la placa, haciendo que los pistones tengan
un movimiento alternativo. Los orificios, en la placa de
distribución, están dispuestos de tal forma que los pistones
pasan por la entrada cuando empiezan a salir de sus
alojamientos y por la salida cuando se les obliga a entrar.
11.6.3. Desplazamiento
En estas bombas el desplazamiento viene también
determinado por el número y tamaño de los pistones así
como por la longitud de su carrera, que depende del ángulo
de la placa circular inclinada.
En los modelos de desplazamiento variable, la placa circular
está instalada en un bloque o soporte móvil (fig. 1 1-31 ).
Moviendo este bloque, el ángulo de la placa circular varía
para aumentar o disminuir la carrera de los pistones (fig. 11-
32). El bloque puede posicionarse manualmente con un
servocontrol, con un compensador hidráulico o por varios
otros medios. La figura 11-31 muestra un compensador
hidráulico. El ángulo máximo de las unidades indicadas está
limitado a 17.5 grados.
11.6.4. Funcionamiento del compensador
El funcionamiento del compensador de una bomba de
pistones en línea puede verse esquemáticamente en la figura
11-33. El control consiste en una válvula compensadora,
equilibrada entre la presión del sistema y la fuerza de un
muelle, un pistón controlado por la válvula para mover el
bloque y un muelle de retorno del bloque.
Cuando no hay presión de salida, el muelle de retorno del
bloque sitúa a éste en su posición de inclinación máxima,
que corresponde al desplazamiento máximo. A medida que
la presión del sistema va aumentando, actúa en el extremo de
la corredera de la válvula; cuando la presión es lo
suficientemente elevada para vencer al muelle de la válvula,
la corredera se desplaza y el aceite entra en el pistón del
bloque, que es actuado por el aceite a presión y disminuye el
desplazamiento de la bomba. Si la presión del sistema
disminuye, la corredera se mueve en sentido contrario, el
aceite del pistón se descarga dentro del cuerpo de la bomba y
el muelle empuja el bloque a un ángulo mayor.
El compensador regula así la salida de la bomba para obtener
el volumen requerido por el sistema para mantener una
presión predeterminada, lo cual evita una pérdida excesiva
de potencia, que ocurre normalmente a través de la válvula
de seguridad, cuando la bomba descarga por ella todo su
caudal durante las operaciones de fijación o mantenimiento.
11.6.5. Bomba de pistones en línea con placa oscilante
Una variación de la bomba de pistones en línea es la bomba
con placa oscilante. En esta bomba, el cilindro es
estacionario y la placa inclinada es accionada por el eje.
Cuando la placa gira, "oscila", empujando los pistones
apoyados por muelles, obligándoles a efectuar un
movimiento alternativo. Se requieren válvulas antirretorno
separadas para los orificios de entrada y de salida, como en
una bomba alternativa, porque los cilindros, estando
estacionarios, no pasan por los orificios.
11.6.6. Bombas de pistones en ángulo
En una bomba de pistones en ángulo (fig. 11-34), el bloque
de pistones gira con el eje de accionamiento pero formando
un ángulo con él. Los vástagos de los pistones están fijados a
la brida del eje mediante juntas esféricas, y se van
desplazando hacia dentro y hacia fuera de sus alojamientos a
medida que varía la distancia entre la brida del eje y el
bloque de cilindros (fig. I1-35).
Una unión universal une el bloque de cilindros al eje de
accionamiento para mantener el alineamiento y para asegurar
que las dos unidades giran simultáneamente. Esta unión no
transmite fuerza excepto para acelerar o decelerar el bloque
de cilindros y para vencer la resistencia del bloque, que gira
dentro de la carcasa llena de aceite.
11.6.7. Variación del desplazamiento
El desplazamiento de esta bomba varía con el ángulo de
inclinación (fig. 11-36), siendo el ángulo máximo de 30° y el
mínimo de 0° .
Los modelos de desplazamiento constante (fig. 11-34)
están disponibles, generalmente, con ángulos de 23° a 30°.
En los modelos de caudal variable (fig. 11-37) se utiliza un
bloque oscilante con un control externo para hacer variar e1
ángulo. Con algunos controles, el bloque puede moverse,
pasando por el centro al lado opuesto, para invertir la
dirección del caudal de la bomba.
l1.6.8. Controles para los modelos de desplazamiento
variable
Se usan varios métodos para controlar el desplazamiento de
las bombas de pistones en ángulo. Los controles típicos son
e1 volante, el compensador hidráulico y el servocontrol.
La figura 11-38 muestra un compensador de presión para
una bomba de eje inclinado PVA12O. En la vista A, la
presión del sistema es suficiente para vencer la fuerza del
muele del compensador. Como resultado, la corredera se
levanta permitiendo que el fluido pase al cilindro de
movimiento del compensador. Aunque el cilindro de
mantenimiento recibe también la presión del sistema, el área
del pistón del cilindro de movimiento es mucho mayor, de
forma que la fuerza desarrollada mueve el bloque hacia
arriba para disminuir el caudal.
La vista B muestra el bloque moviéndose hacia abajo,
cuando la presión del sistema disminuye hasta un valor
inferior al requerido para vencer la fuerza del muelle del
compensador.
En la figura 11-39 se muestra un control por medio de
volante para una bomba PVAl2O. El tornillo de ajuste se
mueve hacia dentro o hacia fuera para hacer variar el caudal
de la bomba.
11.6.9. Caracteristicas de funcionamiento de las bombas
de pistones
Las bombas de pistones son unidades muy eficientes y están
disponibles en una amplia variedad de tamaños, desde
desplazamientos muy pequeños hasta muy elevados. La
mayoría de ellas pueden funcionar con presiones entre 105 y
210 kp/cm2, aunque algunos modelos pueden llegar a
presiones mucho más elevadas.
Siendo estas bombas de desplazamiento variable y
reversibles, pueden aplicarse muy bien a prensas grandes y a
transmisiones hidrostáticas.
Debido a que sus piezas están rectificadas y con holguras
mínimas, la utilización de fluidos de buena calidad y una
buena filtración son condiciones esenciales para una larga
duración.
11.7. CUESTIONARIO
1 . ¿Por qué no debe utilizarse una bomba centrífuga para
transmitir presión?
2. ¿Cuáles son las características básicas de las bombas de
desplazamiento positivo?
3. ¿Qué significa presión nominal de una bomba?
4. ¿Cuáles son las dos formas de expresar el tamaño de una
bomba?
5. ¿Cuál es la cantidad de aceite desplazado por una bomba
de caudal nominal 20 1/min a 1200 r.p.m., cuando gira a
1800 r.p.m.?
6. Si una bomba de 20 1/min da 14 1/min a 210 kp/cm2 ¿cuál
es su rendimiento volumétrico?
7. ¿Qué es lo que tiende a limitar la capacidad de presión · de
una bomba de engranajes?
8. ¿Qué tipo de bomba compensa automáticamente el
desgaste de sus piezas internas?
9. ¿Qué tipos de bombas hay disponibles, por lo que se
refiere a modelos de desplazamiento variable?
10. ¿Qué es lo que mantiene las paletas extendidas en una
bomba de paletas?
11 . ¿Cuál es la función de una placa de presión?
12. ¿Cuál es la finalidad del diseño de la doble paleta?
13. ¿Cómo puede variarse el desplazamiento de una bomba
de pistones axiales?
14. ¿Qué es lo que origina el movimiento recíproco de los
pistones en una bomba de pistones en línea? ¿Y en una de
pistones en ángulo?
15. ¿Por qué el compensador de la bomba PVA12O desplaza
el bloque oscilante hacia la posición central de des-
plazamiento nulo, cuando la presión del sistema está
aplicada tanto en el cilindro de movimiento como en el de
mantenimiento?
Capítulo 12
ACCESORIOS
Este capítulo trata de varios accesorios, utilizados en los
sistemas hidráulicos, para verificar funciones especiales. Se
presentarán acumuladores, multiplicadores de presión,
presostatos y diversos aparatos de medida.
12.1. ACUMULADORES
A diferencia de los gases, los fluidos utilizados en los
sistemas hidráulicos no pueden ser comprimidos y
almacenados para su utilización en cualquier tiempo o lugar.
Cuando puede utilizarse, la ventaja de un acumulador
consiste en suministrar un medio de almacenar fluidos
incomprensibles bajo presión. Esto se consigue porque
cuando el fluido hidráulico, bajo presión, entra en la cámara
del acumulador hace una de las tres cosas siguientes:
comprime un muelle, comprime un gas o eleva un peso.
Cualquier tendencia a disminuir que tenga la presión, a la
entrada del acumulador, hace que el elemento reaccione y
obligue al líquido a salir.
12.1.l . Acumuladores de contrapeso
Es el tipo de acumulador más antiguo (fig. 12-1). Se utilizó
un pistón vertical, con facilidad para añadir o remover pesos,
para hacer variar la presión, que es siempre igual al peso
utilizado dividido por el área del pistón que recibe el fluido
hidráulico. Este es el único tipo de acumuladores en que la
presión se mantiene constante, hasta que la cámara del
acumulador quede prácticamente vacía. No obstante, los
acumuladores de contrapeso son pesados, ocupan mucho
espacio y su uso es limitado. Se utilizan en algunas prensas
de gran tamaño en las que se requiere una presión constante
o en aquellas pocas aplicaciones en que sean necesarios
grandes volúmenes.
12.1.2. Acumuladores de muelle
En un acumulador de muelle (fig. 12-2) la presión es
aplicada al fluido mediante la compresión de un muelle
espiral colocado detrás del pistón del acumulador. La presión
es igual a la fuerza instantánea del muelle dividida por el
área del pistón.
Fuerza del muelle
Presión = -------------------------
Area
donde: fuerza del muelle = constante del muelle x (distancia
de compresión).
Por consiguiente, la presión no es constante puesto que la
fuerza del muelle aumenta a medida que el fluido entra en la
cámara y disminuye cuando éste sale.
Los acumuladores de muelle se pueden montar en cualquier
posición. La fuerza del muelle, es decir, los límites de
presión no son fácilmente ajustables con estos acumuladores.
Además, cuando se requieran grandes cantidades de fluido,
las fuerzas involucradas hacen muy difícil poder obtener
muelles suficientemente grandes.
12.1.3. Acumuladores de gas
Probablemente el acumulador más utilizado es el de la
cámara cargada con un gas inerte, generalmente nitrógeno
seco. Nunca debe de utilizarse oxígeno debido a su tendencia
a quemarse o a explotar al comprimirlo con aceite. A veces
se utiliza aire, pero no es recomendable por e1 mismo
motivo.
Un acumulador de gas debe cargarse cuando está vacío de
fluido hidráulico. Las presiones de carga de gas varían en
cada aplicación y dependen del intervalo de presiones de
trabajo y del volumen de fluido requerido en dicho intervalo.
La presión de carga del gas no debe ser inferior al 25 %
(preferentemente 33 % ) de la presión máxima de trabajo. La
presión del acumulador varía en proporción a la compresión
del gas, aumentando cuando entra el fluido y disminuyendo
cuando sale.
12.1.3.1. Acumulador a superficie libre
La figura 12-3 muestra un acumulador en el que no hay
ninguna separación entre el fluido hidráulico y el gas. Se
utiliza frecuentemente en máquinas de inyección y debe
montarse verticalmente. Es importante seleccionar una rela-
ción de volúmenes y presiones, de tal forma que no sea uti-
lizado más que un 65 % del fluido del acumulador, a fin de
evitar que el gas se descargue en el sistema.
12.1.3.2. Acumuladores de membrana o de vejiga
Muchos acumuladores llevan incorporada una membrana o
vejiga de caucho sintético (fig. 12-4) que separa el gas del
fluido hidráulico. Como ciertos fluidos ininflamables no son
compatibles con las membranas o vejigas convencionales, es
importante seleccionar el material adecuado para las mismas.
El aceite disponible puede variar entre el 25 % y el 75 %a de
la capacidad total, según las condiciones de funcionamiento.
Trabajando fuera de estos límites, la vejiga podría dilatarse o
comprimirse demasiado, limitándose su duración.
12.1.3.3. Acumulador de pistón
Otro método para separar el gas del fluido hidráulico es
mediante un pistón libre (fig. 12-5). Similar en construcción
a un cilindro hidráulico, el pistón bajo la presión del gas en
uno de sus lados tiende a enviar afuera el aceite contenido en
la cámara opuesta. Aquí, también, la presión depende de la
compresión y varía con el volumen de aceite que hay en la
cámara.
12.1.4. Aplicaciones
En muchos sistemas hidráulicos es necesaria una gran
cantidad de fluido para efectuar el trabajo pero éste se realiza
sólo intermitentemente en el ciclo de la máquina. Por
ejemplo, en una máquina de inyección, el cilindro de
inyección debe moverse muy rápidamente cuando la pieza se
forma, pero permanecer inactivo cuando se retira la pieza y
durante el cierre y la abertura del molde. En lugar de utilizar
intermitentemente una bomba de gran caudal, este sistema
permite almacenar fluido en un acumulador con una bomba
relativamente pequeña y descargarlo durante la parte de
"inyección" del ciclo.
Otra aplicación sería, en un sistema en el cual es necesario
mantener una presión durante un periodo de tiempo muy
largo, la siguiente: en vez de dejar la bomba funcionando
constantemente al taraje de la válvula de seguridad, se utiliza
para cargar un acumulador y mientras éste mantiene la
presión, la bomba puede descargar libremente al tanque. Se
usan presostatos o válvulas de seguridad y descarga para
controlar periódicamente la carga del acumulador o la
descarga de la bomba cuando se pierde fluido debido a las
fugas del circuito.
Los acumuladores pueden también instalarse en un sistema
para absorber choques o puntas instantáneas de presión,
debidas a paradas bruscas o inversiones del caudal de aceite.
En tales casos, la presión de carga es próxima o ligeramente
superior a la presión máxima de trabajo, consiguiéndose así
absorber las puntas de presión y evitar al mismo tiempo una
flexión constante de la membrana o de la vejiga.
Como precaución, el acumulador tiene que aislarse com-
pletamente del circuito o estar completamente descargado,
antes de iniciar cualquier desmontaje de las líneas del
circuito. Nunca debe de desmontarse un acumulador sin
antes descargarlo, bien sea de gas, pesos o muelles.
12.2. MULTIPLICADORES DE PRESION
Un multiplicador de presión es un dispositivo utilizado para
multiplicar una presión en ciertas aplicaciones, como
máquinas remachadoras o taladradoras, en las que puede ser
necesaria una pequeña cantidad de aceite a alta presión para
la fase final del movimiento del cilindro. Un multiplicador
puede desarrollar presiones varias veces superiores a las que
puede dar la bomba. En la figura 12-6, la presión en el área
mayor ejerce una fuerza que requiere en el área menor una
presión considerablemente mayor para resistirla. El aumento
de presión es inversamente proporcional a la relación de
áreas. El volumen de fluido descargado a alta presión es, a su
vez, menor que el volumen recibido en el área mayor, y en
proporción a la relación de áreas.
12.3. PRESOSTATOS
Los presostatos (fig. 12-7) se utilizan para abrir o cerrar
circuitos eléctricos a presiones seleccionadas previamente,
para accionar electroválvulas y otros dispositivos utilizados
en el sistema.
El principio de funcionamiento de un presostato puede verse
en la figura 12-8. Este modelo contiene dos interruptores
eléctricos separados, accionado cada uno de ellos mediante
una varilla apoyada contra un pistón cuya posición es
controlada por la presión hidráulica en un lado y por un
muelle en el otro. La presión a la que actúan los interruptores
se selecciona girando el tornillo de ajuste para aumentar o
disminuir la fuerza del muelle.
Hay que observar que en este diseño los interruptores son
accionados por los muelles, en el montaje de las unidades.
Así, los contactos normalmente abiertos se cerrarán y
viceversa.
Cuando se alcanza la presión de taraje, los pistones
comprimen los muelles y permiten que las varillas bajen, ha-
ciendo que los interruptores vuelvan a su condición normal.
Utilizando ambos interruptores conjuntamente con un relé
eléctrico, las presiones del sistema pueden mantenerse
dentro de unos límites inferior y superior muy amplios.
12.4. APARATOS DE MEDIDA
Las medidas de caudal, de presión y de temperatura, son
necesarias para evaluar el funcionamiento de los elementos
hidráulicos. Estas medidas son útiles también para la
localización de averías en un sistema hidráulico. Debido a la
dificultad de instalar un caudalímetro en el circuito, las
medidas de caudal se determinan muchas veces midiendo el
desplazamiento o la rotación de un actuador. La presión y la
temperatura se determinan de la manera usual mediante
manómetros y termómetros.
12.4.1. Manómetros.
Los manómetros son necesarios para ajustar las válvulas de
control de presión y para determinar las fuerzas ejercidas
por un cilindro o el par desarrollado por un motor hidráulico.
Los dos tipos principales de manómetro son el tubo de
Bourdon y los tipos Schrader. En el manómetro tipo
Bourdon (fig. 12-9), un tubo cerrado tiene forma de arco.
Cuando se aplica presión al orificio de entrada, el tubo tiende
a enderezarse, accionando un acoplamiento que gira un
engranaje y una aguja ligada a éste que indica la presión en
un cuadrante.
En el manómetro Schrader (fig. 12-10), la presión se aplica a
un pistón y a una camisa accionada por un muelle. Cuando la
presión mueve la camisa, ésta acciona la aguja indicadora
mediante una conexión mecánica.
La mayoría de los manómetros indican cero a la presión
atmosférica y están calibrados en kilos por centímetro
cuadrado o en libras por pulgada cuadrada, sin tener en
cuenta la presión atmosférica en toda su escala.
La presión a la entrada de una bomba es frecuentemente
inferior a la presión atmosférica y debe medirse en unidades
absolutas utilizándose, generalmente, las pulgadas o los
milímetros de mercurio, considerándose que 30 pulgadas o
760 mm corresponden al vacío perfecto.
La figura 12-11 muestra un vacuómetro calibrado en pul-
gadas de mercurio.
12.4.2. Instalación del manómetro
En un sistema hidráulico, es deseable incorporar una o más
conexiones para los manómetros a fin de facilitar las puestas
en marcha y las medidas, a pesar de que en la mayoría de las
válvulas de seguridad y otros elementos hidráulicos existen
conexiones para manómetros. Cuando un manómetro se
instala permanentemente en una máquina, normalmente se
debe incluir también una válvula con amortiguación para
poder abrir o cerrar el paso del aceite (fig. 12-12). Esta
válvula prolonga la vida del manómetro, aislándolo del
sistema cuando no hay necesidad de medir la presión.
El amortiguador (fig. 12-13) impide la oscilación del
manómetro y lo protege contra las puntas de presión. En el
caso de no encontrar amortiguadores comerciales, una
pequeña bobina (aproximadamente de 5 cm de diámetro) de
tubo 1/8 , sirve como un dispositivo excelente de
amortiguamiento.
12.4.3. Caudalímetros
Los caudalímetros se utilizan, normalmente, en los bancos
de pruebas, pero hay también disponibles unidades portátiles
incluyendo algunas, además del caudalímetro, un manómetro
y un termómetro (fig. 12-14). Casi nunca se instalan de
forma permanente en una máquina. No obstante, conectados
a una tubería hidráulica, son muy útiles para verificar e1
rendimiento volumétrico de una bomba y para determinar las
fugas internas de un circuito.
Un caudalímetro típico (fig. 1 2-1 5) está formado por un
peso en un tubo calibrado vertical. El aceite bombeado entra
por la parte inferior del tubo y sale por la parte superior,
elevando el peso a una altura proporcional al caudal. Para
una medida más precisa, puede utilizarse un motor
hidráulico de desplazamiento conocido para hacer girar un
tacómetro. El caudal en 1/min será.
r.p.m. x desplazamiento (cm3 /giro)
Caudal (1/min) = -----------------------------------------------
1000
Naturalmente, el tacómetro puede calibrarse directamente,
tanto en 1/min como en r.p.m.
Otro tipo de caudalímetro (fig. 12-16) lleva incorporado un
disco que cuando es accionado por el fluido que pasa a
través de la cámara de medida, origina un movimiento
rotativo que puede ser transmitido a través de un engranaje a
una aguja indicadora en un cuadrante.
Los caudalímetros tipo turbina son dispositivos más
sofisticados que originan un impulso eléctrico cuando giran
y transductores de presión, situados en lugares adecuados del
sistema, transmiten señales eléctricas proporcionales a las
presiones aplicadas. Estas señales pueden ser calibradas y
observadas en un osciloscopio u otro dispositivo adecuado
de lectura. Véase la figura 12-17.
Estas unidades se encuentran con mayor frecuencia en
laboratorios, aunque también forman parte del equipo de
mantenimiento utilizado en aquellas empresas donde las
técnicas de mantenimiento asumen aspectos más
sofisticados.
12.5. CUESTIONARIO
l. Mencionar dos funciones de un acumulador.
2. ¿Qué tipo de acumulador trabaja a presión constante?
¿Cómo puede cambiarse esta presión?
3. ¿Cómo se origina la presión en el acumulador de pistón
libre?
4. ¿Qué clase de gas se prefiere para cargar un acumulador?
5. ¿Qué impide que la vejiga se extrusione en un acumulador
de vejiga?
6. ¿Para qué sirve un multiplicador de presión?
7. ¿Cómo funciona un presostato?
8. Citar tres casos en los que se requiera un manómetro.
9. ¿Cómo se calibran los vacuómetros?
Capítulo 13
CIRCUITOS HIDRAULICOS INDUSTRIALES
Las aplicaciones de los principios y componentes descritos
en este manual son innumerables, como lo son las posibles
combinaciones de componentes en los sistemas. Sería
imposible describir en este manual más de unos pocos
ejemplos de circuitos hidráulicos.
Los circuitos expuestos en este capítulo son los más
utilizados en la maquinaria industrial y presentan los
principios básicos de aplicación de la oleohidráulica en
varios tipos de trabajo.
Muchos de estos circuitos se presentan en diagramas con los
componentes seccionados, para que se vea con más facilidad
el recorrido del aceite. Se muestran diagramas gráficos para
todos los circuitos con el fin de facilitar la comprensión del
uso de los símbolos.
13.1. CIRCUITOS DE DESCARGA
Un circuito de descarga es un sistema donde el caudal de la
bomba se desvía al tanque, a baja presión, durante parte del
ciclo. La bomba puede ser descargada porque las
condiciones de la carga, en ciertos momentos, exceden de la
capacidad de potencia disponible en el motor o,
simplemente, para evitar pérdida de energía o disipación de
calor durante los períodos de reposo.
13.1.1. Sistema de descarga con dos bombas
Con frecuencia es conveniente combinar el caudal de dos
bombas para obtener una velocidad mayor cuando un
cilindro avanza a baja presión. Cuando la alta velocidad ya
no se necesita o la presión aumenta hasta el punto en que el
caudal, combinado a esta presión, excede de la potencia
disponible en el motor, la bomba grande descarga a tanque.
13.1.2. Avance rápido a baja presión
La figura 13-1 , vista A, muestra la disposición de los
componentes en este sistema y las condiciones de caudal a
baja presión. El aceite procedente de la bomba mayor pasa a
través de la válvula de descarga y de la válvula antirretorno,
para cambiarse con el caudal de salida de la bomba menor.
Este funcionamiento continúa mientras la presión del sistema
es inferior al taraje de la válvula de descarga.
13.1.3. Avance lento a alta presión
En la vista B, la presión del sistema excede del taraje de la
válvula de descarga, que se abre y permite que la bomba
mayor descargue al tanque prácticamente a presión nula. La
válvula antirretorno se cierra, impidiendo que el caudal
procedente de la línea de presión llegue a la válvula de
descarga.
En estas condiciones, se utiliza mucha menos potencia que si
las dos bombas estuvieran funcionando a alta presión, no
obstante, el avance final es más lento debido a que al
cilindro sólo le llega el caudal procedente-de la bomba
menor.
Cuando termina el movimiento, la bomba menor descarga a
tanque a través de la válvula de seguridad a su taraje.
1.3.1.4. Dos presiones máximas con "Venting"
El circuito mostrado en la figura 13-2 puede incorporarse en
un sistema hidráulico para permitir la selección de dos
presiones máximas y además "Venting" (recuérdese que
"Venting" es el término utilizado para designar la descarga
de la bomba a través de la válvula de seguridad, a presión
casi nula). El ajuste de presión máxima se realiza en la
válvula de seguridad pilotada y el otro ajuste en la válvula de
seguridad de control remoto. Entre las dos válvulas se instala
una electroválvula distribuidora de cuatro vías.
13.1.5. "Venting"
En la vista A, los dos solenoides de la electroválvula están
desexcitados. La corredera de centro abierto está centrada
por los muelles y el orificio de "Venting" de la válvula de
seguridad está comunicado al tanque. La corredera de ésta,
está levantada y el caudal de la bomba descarga a tanque a la
presión del muelle ligero (aproximadamente 1 .40 kp/cm2 ).
13.1.6. Presión máxima intermedia
En la vista B, el solenoide de la izquierda de la
electroválvula está excitado. La corredera de la válvula está
desplazada y conecta al orificio de "Venting" de la válvula
de seguridad con la válvula de control remoto.
Esta válvula funciona ahora como piloto de la válvula de
seguridad. El caudal de la bomba se desviará al tanque
cuando se alcance el taraje de la válvula de control remoto.
13.1.7. Presión máxima principal
En la vista C, está excitado el solenoide opuesto da la
electroválvula distribuidora. La corredera de ésta conecta el
orificio de "Venting" de la válvula de seguridad con el
orificio bloqueado de la electroválvula. La válvula de
seguridad pilotada funciona ahora al taraje de su muelle
ajustable.
13.2. "VENTING" AUTOMATICO AL FINAL DE UN
CICLO
En los sistemas donde no sea necesario mantener presión al
final del ciclo, es posible descargar la bomba automatizando
el "Venting" de la válvula de seguridad. La figura 13-3
muestra este sistema utilizando una válvula piloto accionada
por una leva para poner el "Venting" de la válvula de
seguridad.
13.2.1. Extensión a media carrera (Vista A)
El ciclo de la máquina empieza cuando se excita la bobina de
la electroválvula distribuidora (tipo retorno por muelle). El
caudal de la bomba se dirige a la sección llena del cilindro y
la línea de "Venting" está bloqueada por la válvula piloto.
(Obsérvese que la válvula piloto es únicamente de dos vías
en vez de las cuatro usuales.)
13.2.2. Retroceso a media carrera (Vista B)
AI final de la carrera de extensión, el interruptor eléctrico de
final de carrera es accionado por la leva del vástago del
cilindro, cortando el circuito eléctrico del solenoide. La
corredera de la electroválvula vuelve a su posición inicial
originando el retroceso del cilindro. El orificio de "Venting"
de la válvula de seguridad continúa bloqueado.
13.2.3. Parada automática (Vista C)
A1 final de la carrera de retroceso, la leva del cilindro abre la
válvula piloto. De esta forma, el orificio de "Venting" de la
válvula de seguridad se conecta a través de la válvula
antirretorno en línea, a la línea de entrada del cilindro, que se
une a tanque a través de la electroválvula distribuidora y de
la válvula antirretorno en ángulo. La presión piloto,
necesaria para la electroválvula distribuidora, se mantiene al
valor determinado por las tensiones de los muelles de la
corredera de la válvula de seguridad y de las dos válvulas
antirretorno (En este circuito podría eliminarse la válvula
antirretorno en ángulo utilizando en la corredera de la
válvula de seguridad, en vez .del muelle de 1.40 kp/cm2, un
muelle "V" de tensión mayor.)
13.2.4. Puesta en marcha (Vrita D)
Cuando se pulsa el botón de arranque, excitando el
solenoide, la corredera de la electroválvula se desplaza para
dirigir el caudal de salida de la bomba a la sección llena del
cilindro. Y la válvula antirretorno en línea bloquea el
"Venting" de la válvula de seguridad. La presión aumenta de
nuevo y el ciclo se repite.
13.3. SISTEMA DE DESCARGA CON ACUMULADOR
13.3.1. Control eléctrico
En un circuito en el que se debe introducir aceite a presión
dentro de un acumulador, la bomba se pone a descarga
cuando se alcanza una presión máxima predeterminada y
vuelve a cargar el acumulador cuando la presión disminuye
hasta un valor mínimo predeterminado.
Una electroválvula distribuidora de retorno por muelle (fig.
13-4) actuada por un presostato se utiliza para poner o quitar
el "Venting" a la válvula de seguridad, según se requiera.
13.3.2. Carga (Vista A)
Los dos microinterruptores del presostato están
interconectados a un relé eléctrico de tal forma que, para el
ajuste de baja presión, el solenoide está excitado y el orificio
de "Venting" de la válvula de seguridad bloqueado. El
caudal de salida de la bomba se dirige, a través de las
válvulas de seguridad y antirretorno, hacia el sistema donde
carga el acumulador.
13.3.3. Descarga (Vista B)
Cuando la presión alcanza el taraje máximo del presostato, el
solenoide es desexcitado, se corta el "Venting" y la bomba
descarga a tanque. La válvula antirretorno se cierra e impide
que un caudal en sentido contrario, procedente del
acumulador, llegue a la bomba, manteniéndose así la presión
en el sistema.
13.3.4. Control hidráulico
Otro sistema de descargar la bomba en un sistema con
acumulador será el de utilizar una válvula de seguridad y
descarga (fig. 13-5).
13.3.5. Carga (Vista A)
En el período de carga, la válvula de seguridad pilotada está
cerrada y la válvula antirretorno incorporada permite que el
caudal de la bomba se dirija al sistema. Si la demanda del
sistema es menor que el caudal de la bomba, el caudal se
dirige al acumulador y la presión del sistema aumenta.
13.3.6. Descarga (Vista B)
Cuando la presión creciente alcanza el taraje de la válvula de
descarga, ésta se abre y la válvula antirretorno incorporada
se cierra inmediatamente. La bomba descarga libremente al
tanque a través de la válvula de descarga y la válvula
antirretorno permite que la presión del sistema sea
mantenida por el acumulador.
Cuando disminuye la cantidad de aceite contenido en el
acumulador, bien sea para realizar un trabajo o por fugas en
el sistema, la presión disminuye. Cuando la presión
desciende hasta un porcentaje predeterminado del taraje de la
válvula de descarga, ésta se cierra y el sistema vuelve a las
condiciones iniciales que se muestran en la vista A.
13.4. CIRCUITOS DE SEGURIDAD PARA
ACUMULADORES
13.4.1. Seguridad por descompresión del acumulador
El circuito de la figura 13-6 se utiliza para descomprimir
automáticamente un acumulador cargado cuando la bomba
está parada, impidiéndose así el funcionamiento accidental
de un actuador, y permitiendo que se pueda desmontar una
línea del sistema sin riesgos, en caso de mantenimiento. La
descompresión se realiza mediante una electroválvula
distribuidora, de retorno por muelle y una restricción fija.
El solenoide de la electroválvula es excitado mediante un
circuito eléctrico paralelo al del motor eléctrico de la bomba,
de forma que cuando ésta se pone en marcha el solenoide
queda excitado y el pasaje de descompresión queda
bloqueado en condiciones normales de funcionamiento.
Cuando la bomba se para (Vista B), el solenoide se desexcita
y el muelle de la corredera la desplaza y comunica el
acumulador con el tanque a través de la restricción fija.
La llave de paso mostrada en la figura se utiliza para
controlar el caudal de descarga del acumulador al sistema.
La válvula de seguridad auxiliar debe tararse un poco más
alta que la válvula de seguridad principal, a fin de limitar el
aumento de presión producido por la expansión térmica del
gas del acumulador.
El acumulador debe llevar una superficie separadora interna,
es decir, una membrana, vejiga o pistón, para impedir
pérdida de gas cada vez que la máquina se para.
13.4.2. Seguridad por bloqueo del acumulador
También es posible bloquear un acumulador cargado para
poder desmontar cualquier parte del sistema y no perder la
energía acumulada. Este método (fig. 13-7) utiliza una
electroválvula distribuidora, con retorno por muelle, para
controlar una válvula antirretorno pilotada. En este sistema,
el solenoide de la electroválvula está también comunicado al
circuito eléctrico del motor de la bomba.
Cuando la bomba es accionada (Vista A), el solenoide es
excitado y la electroválvula distribuidora envía presión pilo-
to para abrir la válvula antirretorno, permitiendo la entrada y
la salida del aceite en el acumulador.
A1 pararse la bomba (Vista B) el solenoide queda
desexcitado. La electroválvula distribuidora comunica al
tanque la línea piloto de la válvula antirretorno, que se cierra
y separa el acumulador del sistema, permitiendo que
mantenga su aceite a presión.
La pequeña válvula de aguja se utiliza únicamente para
descargar el acumulador antes de introducirle gas a presión.
La llave de paso mayor y la válvula de seguridad auxiliar
realizan las mismas funciones que en el circuito de la figura
13-6.
13.5. CIRCUITOS ALTERNATIVOS
Los circuitos alternativos convencionales utilizan una
válvula direccional de cuatro vías, conectada directamente a
un cilindro o a un motor para obtener la inversión. La
velocidad de retroceso del vástago de un cilindro es mayor
que la de extensión, debido al volumen del vástago, cuando
se utiliza un cilindro diferencial.
Una forma no convencional de un circuito alternativo es el
llamado circuito diferencial, en el que el aceite, procedente
del lado del vástago del cilindro, se dirige al otro extremo
para aumentar la velocidad.
13.5.1. Avance en montaje diferencial
El principio del circuito diferencial se muestra en la figura
13-8. Obsérvese que el orificio "B" de la electroválvula
distribuidora que, convencionalmente, debería conectarse al
cilindro, está taponado y que el extremo del vástago del
cilindro está conectado directamente a la línea de presión.
Con la corredera desplazada para conectar el orificio "P" de
la electroválvula a la sección llena del cilindro (Vista A), el
caudal que sale del extremo del vástago se une al que
procede directamente de la bomba para aumentar la
velocidad del cilindro. En la posición inversa (Vista B), el
caudal de la bomba se dirige al extremo del vástago y el
caudal procedente de la sección llena retorna a tanque,
convencionalmente, a través de la electroválvula
distribuidora.
En caso de que la relación de áreas entre las secciones llena
y anular del cilindro sea de 2:1 , el cilindro avanzará y
retrocederá a la misma velocidad. Sin embargo, la presión
durante el avance será el doble que la presión requerida para
un circuito convencional. Esto es debido al hecho de que en
un circuito diferencial, la presión del sistema actúa también
en la sección anular del cilindro, neutralizando así la mitad
de la fuerza ejercida en la sección llena. Con una relación de
áreas más elevadas, la velocidad de extensión aumentará
proporcionalmente.
13.5.2. Avance en montaje diferencial y cambio a
montaje convencional
El principio diferencial puede también utilizarse en un
circuito para obtener una velocidad de avance elevada y
cambiar después a avance convencional, para doblar la
fuerza ejercida en condiciones de trabajo (fig. 13-9).
En este sistema, una válvula de secuencia del tipo "R",
normalmente cerrada, bloquea el orificio "B" de la
electroválvula distribuidora durante el avance diferencial.
Cuando se llega al taraje de la válvula "R", ésta se abre y
dirige el caudal, procedente de la sección anular del cilindro,
directamente al tanque a través de la electroválvula
distribuidora.
Una válvula antirretorno, con muelle de 0.35 kp/cm2,
permite que el aceite procedente de la sección anular del
cilindro se una al caudal proveniente de la bomba durante el
avance diferencial, pero impide esta unión durante el trabajo
convencional.
Cuando se acciona la electroválvula distribuidora para
conseguir la entrada del vástago del cilindro, el caudal de la
bomba se dirige a la sección anular de éste a través de la
válvula antirretorno de "R".
13.6. CIRCUITOS EN SECUENCIA
En muchas aplicaciones, tales como la fijación de una pieza
para un mecanizado, es necesario que las operaciones se
realicen en un orden determinado y mantener la presión en la
primera operación mientras se verifica la segunda. Se
indican a continuación dos de estos circuitos.
13.6.1. a) Circuito con secuencia
La figura 13-10 muestra un método para permitir que los
movimientos de la máquina se realicen en una secuencia
definida, utilizando una electroválvula distribuidora y dos
válvulas de secuencia (la válvula de equilibraje "G" se utiliza
para controlar el descenso del cilindro vertical).
La secuencia es la siguiente:
Vista A : Avance del cilindro H.
Vista B : Avance del cilindro J mientras el cilindro
H mantiene presión.
Vista C : Retroceso del cilindro J.
Vista D : Retroceso del cilindro H.
Este circuito puede ser utilizado únicamente si no es
necesario mantener la pieza fija (Cilindro H) mientras el
cilindro de trabajo retrocede; si lo fuese, habría de utilizarse
una segunda electroválvula distribuidora como se indica en
el circuito siguiente.
13.6.2. b) Circuito de fijación con secuencia
El circuito mostrado en la figura 13-11 suministra una
secuencia y además una presión controlada de fijación que
puede ser mantenida durante el ciclo. La secuencia de
operaciones es la siguiente:
A1 pulsar el botón de arranque se desplaza la corredera de la
electroválvula "G" y el cilindro de fijación se extiende.
A1 contacto con la pieza, un interruptor eléctrico, de final de
carrera, excita el solenoide de la electroválvula "H" para
iniciar la carrera de trabajo. La válvula de secuencia asegura
que la presión de fijación se mantiene a un valor mínimo
predeterminado durante la carrera de trabajo. La válvula
reductora de presión limita la presión de fijación, para no
dañar a la pieza, cuando se requieran presiones más elevadas
para realizar el trabajo. Controles eléctricos adicionales
pueden invertir la electroválvula "H" mientras se mantiene la
presión de fijación.
La mordaza de fijación se abre cuando el cilindro de trabajo
ha retrocedido completamente.
13.7. CIRCUITO DE EQUILIBRAJE
Un circuito típico de equilibraje, utilizando una válvula tipo
"RC" (fig. 13-12), se utiliza para accionar un cilindro
vertical con una velocidad de descenso controlada por el
caudal de la bomba. La válvula de equilibraje impide que la
carga caiga libremente durante el movimiento de descenso.
En la vista A, el cilindro está subiendo. El caudal de la
bomba llega libremente a la sección anular del cilindro a
través de la válvula antirretorno.
La vista B muestra la posición de equilibrio en la que la
presión, generada únicamente por la carga, no es suficiente
para vencer el taraje del muelle de la válvula de equilibraje.
La vista C muestra la carga bajando, con la presión de salida
de la bomba actuando en la sección llena del cilindro y
suministrando la fuerza adicional requerida para que la
válvula de equilibraje se abra.
13.8. CIRCUITO DE FRENADO
La figura 13-13 muestra una aplicación de la válvula tipo
"RC" para mantener, en caso necesario, una contrapresión en
un motor hidráulico y para frenar el motor cuando la
corredera de la electroválvula, de centro abierto, se sitúe en
su posición central.
La vista A presenta el motor en aceleración, con la válvula
de frenado mantenida completamente abierta por la presión
del sistema que actúa en la conexión auxiliar de control
remoto.
La vista B muestra el funcionamiento cuando el motor tiende
a dispararse, creando una disminución de presión en la línea
de salida de la bomba.
El frenado del motor, mediante una contrapresión originada
por la válvula de frenado, pilotada internamente, puede verse
en la vista C.
13.9. CIRCUITOS DE REGULACION DE CAUDAL
13.9.1. a) Regulación a la entrada (Meter-in)
La figura 13-14 representa el funcionamiento de un
regulador de caudal compensado por presión para controlar
la velocidad de salida del vástago de un cilindro. En la vista
A, la corredera de la válvula direccional se desplaza para
extender el cilindro, y en la vista B, para retraerlo. Como la
válvula reguladora de caudal está montada a la entrada del
cilindro, el control es a la entrada. Una válvula antirretorno,
montada en derivación con el regulador, permite una rápida
carrera de retorno. Si la carga tiende a moverse en la misma
dirección que el vástago del cilindro puede originarse un
embalamiento de la misma. El caudal de la bomba que
excede del taraje del regulador de caudal se desvía al tanque
por medio de la válvula de seguridad.
l 3.9.2. b) Regulación a la salida (Meter-out)
El circuito de regulación a la salida está ilustrado en la figura
13-15. La diferencia consiste en que el regulador de
caudal está montado a la salida del cilindro. Como el caudal
de salida de éste está controlado por el regulador, la
velocidad del cilindro es constante e independiente de la
dirección de las fuerzas impuestas por la carga. En este
circuito, la bomba trabaja también al taraje de la válvula de
seguridad durante la salida del vástago.
13.9.3. c) Regulación por substracción (Bleed-off)
En la figura 13-16, la válvula reguladora de caudal controla
el aceite desde la línea de presión al tanque en lugar de
mandarlo al sistema, obteniéndose así control de la velocidad
en ambas direcciones. Aunque menos preciso que los dos
métodos anteriores, la regulación por substracción permite
economizar algo de potencia, puesto que para mover el
cilindro, únicamente se requiere la presión de trabajo. El
exceso de aceite retorna al tanque a través del regulador de
caudal.
13.10. CIRCUITOS DE AVANCE RAPIDO Y TRABAJO
LENTO
En la figura 13-17 se indican tres métodos para obtener una
transición de avance rápido a una velocidad de alimentación
más lenta, en un circuito de regulación a la salida.
En la vista A, una válvula deceleradora se monta en paralelo
con el regulador de caudal a la salida. Durante el avance
rápido, el caudal de salida de la sección anular del cilindro
pasa libremente a través de la válvula deceleradora. Cuando
la leva cierra esta válvula, el aceite es obligado a pasar por el
regulador de caudal. En el retorno, el caudal de la bomba,
dirigido a la sección anular del cilindro, pasa libremente a
través del antirretorno de la válvula deceleradora.
En la vista B, el pasaje en paralelo alrededor del regulador de
caudal es a través de una electroválvula con retorno por
muelle que permite el retorno libre del caudal cuando el
solenoide está excitado.
Cuando se alcanza la posición de avance lento, se dispara un
interruptor eléctrico de final de carrera que desexcita al
solenoide, interrumpiendo el paso libre del aceite y obligán-
dole a pasar a través del regulador de caudal. Una válvula
antirretorno, montada también en paralelo permite el paso
libre del caudal para el retorno del cilindro.
Las fugas a través de las correderas de la válvula
deceleradora, mostrada en la vista A y de la electroválvula
en la vista B, pueden afectar al avance lento.
La vista C muestra la transición hecha con una válvula
antirretorno pilotada que se utiliza, debido a sus fugas casi
mínimas, cuandó se necesitan avances lentos de mucha
precisión. La presión piloto para esta válvula se suministra a
través de una electroválvula con retorno por muelle, que al
excitarse su solenoide abre la válvula antirretorno y permite
que el caudal, procedente de la sección anular del cilindro,
fluya libremente al tanque.
A1 dispararse el interruptor de final de carrera en la posición
de avance lento, se desexcita el solenoide y la línea piloto de
la válvula antirretorno queda comunicada al tanque, lo que
origina el cierre de esta válvula. El caudal de salida es,
entonces, obligado a pasar a través del regulador de caudal.
La válvula antirretorno pilotada permite el paso libre del
aceite para el retorno del cilindro. Hay que recordar también
que las fugas a través del pistón del cilindro son un factor
que debe considerarse en tales casos.
13.10.1. Regulador de caudal con válvula de seguridad
incorporada
Cuando puede utilizarse regulación de caudal a la entrada, el
regulador de caudal con válvula de seguridad incorporada
(fig. 13-18) puede controlar la velocidad lenta de trabajo.
Hay una electroválvula distribuidora adicional, montada en
paralelo con el regulador de caudal, que permite que el
caudal de salida de la bomba llegue al cilindro durante las
operaciones de avance y retorno rápidos.
El circuito de la figura 13-18 muestra el avance lento. La
electroválvula de tres posiciones y centrada por muelles
dirige el caudal hacia la sección llena del cilindro. La
electroválvula de retorno por muelle bloquea la derivación a
través del regulador de caudal. Al excitar el solenoide de esta
válvula (durante el avance y retorno rápidos) el regulador de
caudal queda neutralizado. La válvula de seguridad que lleva
éste incorporada, suministra protección contra las
sobrecargas, en todas las condiciones de funcionamiento. La
válvula antirretorno, instalada en la línea de tanque, con un
muelle de 3.5 kp/cm2, asegura que hay siempre presión
piloto disponible para el funcionamiento de las
electroválvulas distribuidoras.
13.11. TRANSMISIONES HIDROSTATICAS
La finalidad de cualquier transmisión es equiparar el par y la
velocidad del impulsor primario a los requerimientos de par
y velocidad de la carga. Las transmisiones hidráulicas o
hidrostáticas utilizan bombas de desplazamiento positivo,
motores y varios controles para este objeto.
Las principales ventajas de las transmisiones hidrostáticas
son:
- Regulación, infinitamente variable, de la velocidad de
salida y el par.
- Facilidad y precisión de control.
- Aceleración y cambio de velocidad suaves y progresivos.
- Baja inercia.
- Baja relación entre peso y potencia.
- Mayor fiabilidad.
- Flexibilidad de localización de los componentes.
- Eliminación de ejes de accionamiento y sistemas
complicados de engranajes.
- Frenado dinámico.
- Protección contra sobrecargas.
13.1l.l. Circuitos abiertos
En un circuito abierto, la bomba extrae el aceite del depósito.
Su salida se dirige a un motor hidráulico que a su vez
descarga al tanque.
La figura 13-19 ilustra un circuito abierto que contiene las
unidades básicas requeridas para una transmisión
hidrostática reversible. Si la bomba y el motor tienen el
mismo desplazamiento teóricamente, la velocidad y el par de
salida deberán ser idénticos a la velocidad y el par de
entrada. La transmisión funciona pues, simplemente, como
un "eje" de accionamiento líquido.
Si el motor tuviese un desplazamiento doble de la bomba, la
velocidad de salida sería la mitad de la de entrada, pero el
par de salida sería el doble. Otras combinaciones de
desplazamiento producirían una velocidad de salida
proporcional a la relación de desplazamientos bomba-motor
y un par de salida proporcional a la relación de
desplazamientos motor-bomba.
Este tipo de transmisión, utilizando una bomba de
desplazamiento fijo, puede llevar incorporado también un
control de velocidad en forma de una válvula reguladora de
caudal. El par máximo viene naturalmente limitado por el
taraje de la válvula de seguridad.
13.11.2. Circuitos cerrados
En un circuito cerrado, el aceite de salida del motor vuelve
directamente a la entrada de la bomba. La figura 13-20
nuestra un circuito cerrado unidireccional. La velocidad del
motor viene determinada por la variación de desplazamiento
de la bomba. El par depende del desplazamiento del motor y
del taraje de la válvula de seguridad.
Debido a las fugas del circuito cerrado, el caudal de entrada
de la bomba sería siempre inferior al de salida, lo que
produciría vacío y cavitación de la bomba. Una conexión a
tanque en la línea de baja presión permite que la bomba
aspire el aceite necesario del depósito.
13.11.3. Circuitos cerrados reversibles
Muchas transmisiones de circuito cerrado incluyen una
bomba reversible de desplazamiento variable, con una salida
conectada al orificio del motor y el otro orificio del motor
conectado a la otra salida de la bomba (fig. 13-21 ). Esto
permite que el motor sea accionado en cualquier dirección a
velocidades infinitamente variables, determinadas cada una
por la posición del control de caudal de la bomba. En el
circuito que se muestra, las pérdidas debidas a fugas internas
son compensadas por una bomba de prellenado que mantiene
una presión positiva en el lado de baja presión del sistema.
La protección contra sobrecargas está asegurada por válvulas
de seguridad montadas en paralelo.
13.11.3.1. Características de los circuitos cerrados
Los circuitos cerrados pueden diseñarse con bombas y
motores hidráulicos de desplazamiento fijo o variable, en
cualquier tipo de combinación.
A continuación se indican sus características:
a) Bomba y motor de desplazamientos fijos. La velocidad y
el par de salida son iguales a los de entrada si los
desplazamientos son iguales, si no, el par y la velocidad
cambian proporcionalmente.
b) Bomba de desplazamiento variable y motor de
desplazamiento fijo. Esta transmisión se denomina de par
constante y potencia variable. El par es siempre proporcional
a la presión e independiente de la velocidad, ésta depende
del caudal de la bomba que es variable. Un control de
inversión del caudal de salida de la bomba permite invertir la
dirección de rotación del motor.
c) Bomba de desplazamiento fijo y motor de desplazamiento
variable. Cuando el desplazamiento del motor puede ser
variable pero no el de la bomba, la potencia es siempre
proporcional a la presión. Esta transmisión se llama de
potencia constante y par variable. Si el motor es del tipo con
compensador, cualquier aumento en la carga (par) origina
una disminución proporcional de la velocidad.
d) Bomba y motor de desplazamientos variables. Algunas
aplicaciones de las transmisiones requieren varias
combinaciones de par y potencia con relación a la velocidad.
Una bomba y un motor de desplazamientos variables
permiten una gama de velocidades muy amplia, además de
las características de funcionamiento de par constante o de
potencia constante.
13.11.3.2. Transmisiones compactas
Transmisiones de circuito cerrado, de construcción compacta
e integral, están disponibles para muchas aplicaciones,
incluso con todas las válvulas y controles en una sola unidad
compacta. Unas unidades típicas se muestran en las figuras
13-22, 13-23 y 13-24. Se construyen con el motor hidráulico
incorporado en la unidad o en versiones separadas, con el
motor instalado a distancia.
13.12. CUESTIONARIO
1. ¿Por qué una bomba de gran caudal descarga,
frecuentemente, al tanque durante la fase de alta presión del
ciclo de trabajo?
2. Cuando una válvula de seguridad de control remoto se usa
para obtener una segunda presión máxima, ¿cuál de las dos
válvulas debe tararse más alta?
3. ¿Cuáles son los dos sistemas para descargar una bomba, al
finalizar el periodo de carga de un acumulador?
4. Mencionar dos métodos de transición de avance rápido a
trabajo lento.
5. ¿Cómo puede mantenerse la presión, en un cilindro de
fijación, durante el retorno del cilindro de trabajo?
6. ¿En qué proporción una válvula de frenado, tipo RC,
restringe el caudal, durante la aceleración de un motor
hidráulico?
7. Explicar qué diferencia existe entre una transmisión de
circuito abierto y otra de circuito cerrado.
8. ¿Qué combinación de bomba y motor hidráulico
suministra una transmisión de par constante?
APÉNDICE
SÍMBOLOS GRÁFICOS NORMALIZADOS
CAPITULO 12
VALVULAS DE CARTUCHO
El progreso en el desarrollo de los sistemas hidráulicos ha
conducido a una mayor utilización de los bloques modulares.
Estos bloques reducen mucho el número de los racores
requeridos para las líneas de interconexión entre los
componentes del sistema lo que elimina muchos puntos
potenciales de fugas y reduce la pérdida de fluido. Una
válvula de cartucho se inserta.. dentro de una cavidad
normalizada en un bloque y se mantiene en su lugar con
tornillos roscados o con una tapa asegurada con pernos para
completar el diseño con válvulas de cartucho.
Este capítulo contiene información sobre la construcción,
funcionamiento, y aplicación de dos tipos distintos de estas
válvulas: válvulas de cartucho para insertar y válvulas de
cartucho para roscar. La mayoría de las primeras son
elementos tipo obturador que son controlados normalmente
por otra válvula para suministrar una función hidráulica
completa (tal como válvula de control del caudal, de la
dirección, o de la presión). Las válvulas para roscar pueden
ser elementos tipo obturador o corredera. Con unas pocas
excepciones, un elemento de cartucho para roscar
proporciona una función hidráulica completa.
Ventajas de las válvulas de cartucho
Estas válvulas presentan varias ventajas si se las compara
con las válvulas convencionales tipo corredera para montar
en línea o sobre placa base, para controlar el caudal, la
presión o la dirección. En muchas aplicaciones, estas
ventajas incluyen:
· Mayor flexibilidad para el diseño de los sistemas.
· Menor coste de instalación.
· Tamaño menor del bloque.
· Mejor funcionamiento y control.
· Mas fiabilidad.
· Capacidad de presión más elevada.
· Funcionamiento más eficiente.
· Eliminación de fugas externas y reducción de las internas.
· Mayor tolerancia a la contaminación.
· Ciclos más rápidos.
· Niveles acústicos más bajos.
Las válvulas de cartucho ofrecen un diseño alternativo más
bien que una substitución de las válvulas convencionales de
corredera deslizante. Frecuentemente, el sistema más
económico utiliza combinaciones de válvulas de cartucho
para roscar y para insertar, con las válvulas convencionales
de corredera, todas ellas instaladas sobre un bloque común.
FUNCIONAMIENTO BASICO DE LAS VALVULAS
DE CARTUCHO PARA INSERTAR
Estas válvulas son similares a !as válvulas antirretorno con
obturador y están formadas por un conjunto deslizante que se
inserta en una cavidad mecanizada dentro de un bloque. Una
placa de control atornillada sobre este bloque asegura el
inserto dentro de la cavidad. Como puede verse en la figura
12-1, este inserto está formado por una camisa, un obturador,
un muelle y juntas.
El inserto de la válvula de cartucho puede considerarse como
la etapa principal de una válvula de dos etapas. Lleva dos
orificios "A" y "B". para el caudal principal. Pasajes
mecanizados dentro del bloque conectan estos orificios a
otros cartuchos o al sistema hidráulico en funcionamiento.
Similarmente, un pasaje de pilotaje mecanizado en el bloque,
controla el orificio de control "X" como se desee.
Hay un orificio en el pasaje taladrado entre e1 orificio "X" y
la cámara del muelle "A". Su finalidad es reducir la
velocidad a la que se abre o se cierra el obturador de la
válvula. Hay disponibles varios tamaños de orificio para
optimizar o sintonizar la respuesta del cartucho con relación
a la del sistema hidráulico completo. E1 diseñador puede
seleccionar el tamaño del orificio que proporciona las
velocidades máximas de funcionamiento con puntas de
presión mínimas.
Relaciones de áreas
Como indica la figura 12-2, el inserto de la válvula de
cartucho lleva tres áreas ("AA", "Ag", y "AAP") que afectan a
la abertura o cierre del obturador en la camisa. "AA" es el
área efectiva del obturador expuesta al orificio "A". "AB", la
expuesta al orificio "B", y "AAP la expuesta a la cámara del
muelle. Esta área es siempre igual a la suma de las áreas
“AA” y “AB”.
La relación de áreas de un inserto es la relación de áreas de
"AA" a "AAP." Hay disponibles tres relaciones distintas:
· l:l, cuando "AAP" = "AA"
· l:l.l, cuando "AAP" = l.l "AA"
· 1:2, cuando "AAP" = 2 "AA"
Tipos de obturadores
La figura 12-2A-D muestra la construcción de varios
insertos, las tres relaciones de área y los símbolos gráficos
asociados. Como puede verse, el diseño de la punta del
obturador y de la camisa cambia de configuración con cada
relación de áreas. La figura 12-2A (relación de áreas 1:1)
muestra un obturador con extremo de forma cilíndrica y una
camisa biselada en el punto en que entra en contacto con el
obturador.
El inserto mostrado en la figura 12-2B (relación de áreas
l:l.l), eleva un obturador biselado y un asiento de mayor
diámetro puntiagudo en la camisa, lo que significa que hay
un área "AB" relativamente pequeña en el obturador en la
que puede actuar la presión en el orificio "B". Esta área es
sólo un 10% dcl área "A" en el orificio, “A”.
El obturador mostrado en la figura 12-2C (relación de área
1:2) lleva también un extremo biselado, pero la camisa lleva
un asiento muy puntiagudo con un diámetro inferior al de la
figura 12-2B. La figura 12-2D muestra una relación de áreas
de 2:1 con una ranura reguladora en el obturador. El área
obturador/asiento os la misma que para el obturador
normalizado 1:2. No obstante, el extremo de este obturador
es más puntiagudo y lleva una
ranura en "V" para suministrar amortiguamiento o
regulación de caudal.
Estas diferencias impiden el intercambio de camisas y
obturadores entre los insertos de distinta relación de áreas.
Relación entre las fuerzas de abertura y de cierre
Para diseñar o buscar las averías en un circuito que utiliza
válvulas de cartucho para insertar, se necesita saber como
determinar si la válvula abrirá o cerrará bajo distintas
condiciones del circuito. También hace falta saber como
calcular la presión requerida para abrir o cerrar la válvula.
Estos cálculos deben tener en cuenta el hecho de que la
presión actúa en tres áreas: "AA", "AB"~ y "AAP". Además,
hay disponibles tres relaciones de áreas distintas (1:1, 1:1.1 y
1:2) y muelles diferentes.
Las fuerzas que mantienen la válvula cerrada son la presión
que actúa sobre el área "AAP", más la fuerza del muelle. Las
fuerzas que tienden a abrir la válvula son la presión que
actúa en las áreas "A" y "B". Si la suma de las fuerzas que
tienden a cerrar es mayor que la de las que tienden a abrir, el
obturador se mantiene cerrado. De la misma forma, si la
suma de las fuerzas que tienden a abrir es mayor de las que
tienden a cerrar, el obturador se abre.
La figura 12-3 es el ejemplo de un circuito que utiliza una
válvula de cartucho de relación de áreas 1:2 con un muelle
de 40 libras (177.93 N). En este circuito, se suministra
caudal al cilindro a través de la válvula de cartucho.
Obsérvese que el área "AP" es drenada al tanque a través de
una válvula direccional. La única fuerza que intenta cerrar la
válvula son las 40 libras (177.93 N) del muelle. Supongamos
que hace falta una presión de 1000 psi (68.94 bar) (6894.00
kPa) para hacer mover el cilindro. Esto significa que hay
1000 psi (68.94 bar) (6894.00 kPa) de presión en el área
"A", 7 bar en el área
Supongamos que:
AAP = 2 in2 (12.9 cm
2)
AA = 1 in2 (6.45 cm
2)
AB = l in2 (6.45 cm
2)
Fuerzas para cerrar (Fc) = 40 lbs x (0 psi x 2 in2) = 40 lbs
(177.93 N)
Fuerzas para abrir (Fa) = (1000 psi x 1 in2 + (1000 psi x 1
in2) = 2000 lb (8896.4 N)
Las fuerzas de abertura (2000 lbs) (8896.44 N) son mucho
mayores que las de cierre 40 lbs (177.93 N) ,por
consiguiente, la válvula estará abierta.
Si el inserto en este ejemplo tuviese una relación de áreas de
1:1.1, los cálculos serían:
Supongamos que:
AAP= 1.1 in2 (7.1 cm
2)
AA = 1 in2 (6.45 cm
2)
AB = 0.1 in2 (0.65 cm
2)
Fuerzas para cerrar (FC) = 40 lbs + (0 psi x 1.1 in2) = 40
libras (177.93 N)
Fuerzas para abrir (FA) = (1000 psi x 1 in2) + (1000 psi x 0.1
in2 = 1100 lbs (4893.04 N)
Las fuerzas de abertura 1100 lhs (4893.04 N) son mucho
mayores que las de cierre 40 lbs (177.93 N), por
consiguiente, la válvula abrirá.
En la figura 12-4, se encuentran otros ejemplos de fuerzas de
abertura y de cierre.
VALVULAS DE CARTUCHO PARA INSERTAR
COMO CONTROLES DE DIRECCION.
La sección siguiente estudia el funcionamiento de estas
válvulas cuando controlan la dirección y el caudal del fluido
hidráulico.
Funcionamiento de la válvula antirretorno
Cuando se utiliza una válvula de cartucho de relación de
áreas 1:2 como válvula antirretorno (Fig. 12-6A), es
necesario conectar la cámara "AP" al orificio "B".
Si esta conexión no se hace, cualquier presión en este
orificio que sea lo suficientemente grande para comprimir el
muelle, hará abrir la válvula. Para funcionar como una
válvula antirretorno, el cartucho debe abrirse únicamente
cuando la presión en el orificio "A" sea mayor que en el "B"
más la fuerza del muelle. En la figura 12-6B puede
verse que también puede crearse la función antirretorno
conectando la cámara "AP'" al orificio "A", lo que permite el
paso libre del caudal de “B” a "A". No obstante, pueden
haber fugas desde el orificio "A", a través de la línea de
pilotaje, a la cámara "AP", y después a lo largo de la holgura
entre el obturador y la camisa, al orificio "B". Para evitar
esto, debe y utilizarse siempre para la función antirretorno la
disposición mostrada en la figura 12-5A.
Válvula de control direccional de cuatro vías
Por definición, las válvulas de control direccional de cuatro
vías suministran cuatro pasos para el caudal, dos al mismo
tiempo. Una aplicación de estas válvulas, es hacer salir,
entrar y parar el pistón de un cilindro de doble efecto.
Las figuras 12-7, 12-8 y 12-9 muestran como pueden
instalarse las válvulas de cartucho para funcionar
conjuntamente como una sola válvula de cuatro vías.
La figura 12-7 muestra un circuito en el que el pistón sale
cuando las áreas "Ap" de dos insertos se conectan al tanque.
Para hacer entrar cl pistón (Fig. 12-8), la salida de la bomba
debe comunicarse al extremo del vástago dcl cilindro
mientras que el extremo opuesto debe conectarse al depósito.
Otro par de válvulas de cartucho proporciona estos pasos
para el caudal. Ahora, las áreas "Ap" deben estar también
comunicadas al tanque.
La figura 12-9 muestra un circuito en el que las cuatro
válvulas de cartucho de las dos figuras anteriores vienen
pilotadas por una válvula de dos solenoides centrada por
muelles. La presión de pilotaje se obtiene mediante una
derivación en la línea de presión del sistema principal y se
aplica a la cámara piloto de cada cartucho cuando los
solenoides de la válvula de pilotaje están desexcitados. Las
cámaras piloto de las válvulas 1 y 3 están interconectadas,
como también lo están las cámaras de las válvulas 2 y 4, de
forma que estos pares de válvulas se abren o cierran al
mismo tiempo. Esto forma esencialmente un circuito de
centro cerrado, porque los cuatro cartuchos permanecen
cerrados cuando se desexcitan los dos solenoides de la
válvula de pilotaje.
Al excitar el solenoide S1 se drenan al depósito las áreas
"Ap" de los cartuchos 2 y 4, mientras se mantiene la presión
de pilotaje en las áreas "Ap" de los cartuchos 1 y 3. La
presión del sistema que actúa sobre el área "B" del cartucho
2 hace abrir la válvula, dirigiendo el caudal de la bomba a la
sección mayor del cilindro.
El caudal de retorno desde el lado del vástago del cilindro
pasa a tanque a través del cartucho 4 cuando la presión en el
lado del vástago es lo suficientemente elevada para vencer la
fuerza del muelle que actúa sobre el obturador de la válvula
de cartucho. El pistón del cilindro se mueve hacia la derecha.
La excitación del solenoide S2 drena las áreas "Ap" de los
cartuchos 1 y 3 y aplica presión a las áreas "Ap" de los
cartuchos 2 y 4 lo que hace que el vástago del cilindro se
desplace hacia la izquierda.
Las válvulas convencionales de corredera deben
dimensionarse para el caudal más elevado que pase por
cualquier orificio. Por otra parte, las válvulas de cartucho
deben dimensionarse únicamente para el caudal requerido
para cada orificio individual, lo que supone una economía y
se optimiza el tamaño del sistema.
Pueden controlarse caudales muy elevados con una válvula
direccional piloto de tamaño pequeño y cuatro válvulas de
cartucho. Esta disposición es similar a la de 1a válvula
direccional tipo corredera de tres posiciones distintas que se
muestra a la derecha de la figura 12-9. Se muestran las
flechas paralelas, las flechas cruzadas y la posición central.
Obsérvese que en esta posición, aparece una válvula
antirretomo en cada línea dirigida al cilindro. Esto se hace
para indicar que cuando no está excitado ningún solenoide,
una fuerza extrema actuando sobre el vástago del pistón
podría hacer que la válvula se abriese. Esto puede ocurrir
cuando la presión en la sección mayor del cilindro sea mayor
que la presión del sistema. En tal caso, la presión del sistema
actuando sobre el área "B", ligeramente superior que la
presión del sistema actuando sobre el área "A", se combina
para vencer la presión del sistema y el muelle que actúa
sobre el área "Ap". (Si el vástago fuese atraído en vez de
empujado, se abriría la válvula 3 en lugar de la 2). En
cualquier caso, el pistón del cilindro no está cerrado
hidráulicamente como lo sería con una válvula de corredera
de centro cerrado.
Si la bomba se pone a descarga o se para, se pierde la
presión de pilotaje y puede abrirse cada cartucho cuando se
vence la fuerza del muelle. Esta condición no es aceptable
cuando cargas verticales o fuerzas exteriores al cilindro
pueden ser lo suficientemente elevadas para hacer mover su
pistón.
Para resolver este problema pueden añadirse tres pequeñas
válvulas antirretorno (Fig. 12-10). Estas válvulas permiten
que la presión más elevada disponible actúe como presión
piloto, creando un centro cerrado verdadero.
Circuito diferencial de control de la dirección
La figura 12-1l muestra como el cilindro en el circuito de la
figura 12-9 puede convertirse en diferencial sin añadir más
solenoides. Se substituye la válvula piloto de tres posiciones
y dos solenoides, por dos válvulas de dos posiciones y un
solo solenoide. Cuando se excitan simultáneamente los dos,
el circuito funciona en montaje diferencial.
En la figura 12-12, se añaden dos válvulas adicionales de dos
posiciones y un solo solenoide para crear un circuito
independiente de pilotaje. El funcionamiento de cada válvula
de cartucho con una electroválvula produce un circuito
equivalente al de una válvula de corredera de 16 posiciones,
como se muestra al final de la figura. Cinco de estas
posiciones dan las mismas condiciones de caudal, lo que
deja doce combinaciones distintas de vías. Esta disposición
facilita el control independiente de cada cartucho, lo que
permite una transición suave de una fase de funcionamiento
a otra.
Tapas para las válvulas de control direccional
La tapa asegura al inserto dentro de la cavidad del bloque y
contiene pasajes de pilotaje para controlar el obturador
insertado. Hay varios tipos de tapas. Una tapa básica, como
la mostrada en la figura 12-13, lleva un pasaje de pilotaje
con un orificio reemplazable para controlar la velocidad con
la que el obturador se cierra o se abre. Las puntas de presión
pueden evitarse fácilmente dimensionando cuidadosamente
los orificios en la tapa de la válvula y controlando la
secuencia de abertura y de cierre de los cartuchos
individuales de la válvula de control direccional. En las
válvulas convencionales tipo corredera, la abertura o cierre
de los cuatro orificios se efectúa simultáneamente, lo que
hace más difícil evitar los golpes.
Tapa con interfase para la válvula piloto
En la figura 12-14 pueden verse dos tapas que llevan una
interfase para la válvula piloto: una es NFPA-D03 y la otra
NFPA-D05. Los orificios auxiliares "Z1" y/o "Z2" pueden
conectarse en el bloque a los pilotos de otras válvulas para
originar un funcionamiento simultáneo de más de una
válvula de cartucho con una sola válvula piloto.
Desde luego, es posible instalar sobre la tapa cualquier tipo
de electroválvula (tal como retomo por muelle, con retención
mecánica, o centrada por muelles), según cuales sean los
requerimientos particulares del circuito.
La figura 12-14 muestra un bloque completo, incluyendo las
tapas e insertos. Es la misma válvula de cuatro vías tipo
cartucho que aparece en la figura 12-8.
Tapa con válvula selectora
Una tapa con válvula selectora (Fig. 12-15) selecciona la
más elevada de dos presiones de pilotaje y la dirige al área
"Ap" del muelle. Los orificios "X" e "Y" envían fluido a
cada extremo de esta válvula. La cámara de1 muelle, de área
"Ap" y el orificio "Z " están conectados a la sección central
de la válvula selectora.
Estas tapas están también disponibles con interfase para la
válvula direccional piloto NFPA-D03 (Fig. 12-16). Tal como
se muestra, cuando el solenoide está desexcitado, la presión
más elevada en los orificios "X" o "Y" es transmitida por la
válvula de cambio al área del muelle del obturador para
cerrar éste. Cuando se excita el solenoide, la cámara del
muelle se drena y el fluido puede pasar en cualquiera de las
dos direcciones venciendo únicamente el muelle que
mantiene el obturador cerrado.
Tapa con válvula antirretorno pilotada
Esta tapa (Fig. 12-17) puede aplicarse de forma muy similar
a las otras válvulas antirretorno pilotadas. Se utilizan tres
orificios de pilotaje.
- El orificio "X" que está taladrado en el bloque a la señal
piloto.
- El orificio "Y" que está taladrado en el bloque para
conectar con el orificio "B" del conjunto insertado.
- El orificio "Z1" que está conectado a la línea de drenaje.
Cuando no hay señal piloto al orificio "X" en la tapa, un
muelle que actúa contra un pistón ranurado, mantiene la
esfera contra el asiento de la derecha, bloqueando el orificio
de drenaje "Z1" y abriendo el orificio piloto "Y" al orificio
"Ap". El obturador insertado funciona como una válvula
antirretomo normalizada con paso libre del caudal desde "A"
a "B". El área "Ap", presurizada desde el orificio "B" a
través del pasaje de "Y", bloquea el paso del caudal en et
sentido contrario de "B" a "A".
Cuando se aplica una presión piloto, que sea por lo menos un
30% de la presión en "Y", se aplica al pistón de pilotaje a
través dcl orificio "X", este pistón mueve la esfera contra el
asiento de la izquierda y bloquea el orificio "Y" del área
"Ap" del inserto. Al mismo tiempo, esta área se abre al
orificio "Z1" y al drenaje. Ahora, es posible el paso del
caudal desde "B" a "A", si la relación de áreas es distinta de
l:l.
Válvulas de cartucho para insertar como controles de
presión
La sección siguiente está dedicada al funcionamiento de las
válvulas de cartucho para insertar utilizadas para las
funciones de seguridad y de reducción de presión.
Válvula de seguridad
La válvula de seguridad de cartucho funciona igual que una
válvula de seguridad tradicional. Como indica la figura 12-
19, es una válvula de seguridad pilotada de dos etapas. En
una válvula de seguridad pilotada tradicional, la corredera
lleva un agujero sensor de 0.040 pulgadas (1 mm) a su
través. En la versión de cartucho, el pasaje sensor es un
agujero taladrado en el bloque que conecta el orificio "A" al
"X" y al orificio de control en la tapa.
Obsérvese que hay tres conexiones de pilotaje en la interfase
de la tapa. "X" es la conexión sensora de pilotaje, "Y" es la
conexión de drenaje, y "Z" es la conexión de mando
a distancia. El caudal a través de la etapa principal va de "A"
a "B". El orificio "Y" puede conectarse a "B" o a un drenaje
separado. Como una válvula de seguridad convencional,
cualquier contrapresión en el orificio de drenaje se suma
directamente al taraje de la válvula. El orificio "Z" puede
estar taladrado en el bloque o conectarse a tanque o a un
control a distancia. Si no hace falta, no se taladra en el
bloque. Hay disponibles tres intervalos de taraje cambiando
los muelles de la sección piloto. El muelle de la etapa
principal es el mismo en todos los casos.
Funcionamiento de la válvula de seguridad
Generalmente, se utiliza un inserto de relación de áreas l:l en
la etapa principal. El orificio "A" se conecta a la presión del
sistema y el "B", al tanque. El muelle ajustable de la tapa
determina el ajuste de presión de la válvula. A presiones
inferiores a este taraje, la presión en el área "Ap" es igual a
la presión del sistema en el orificio "A", debido a que el
pasaje sensor de pilotaje conecta "A" al área "Ap" a través de
los orificios "X" y de control. Debido a que el área "A" es
igual a la "Ap" (relación l:l), y que la presión en ambas áreas
es la misma, el muelle del inserto mantiene la corredera
cerrada contra el asiento en la camisa.
Válvula reductora
La válvula reductora de cartucho para insertar (Fig. 12-21) es
similar a la válvula reductora tradicional. En la tapa, lleva
una válvula piloto que está formada por un tornillo ajustable,
un muelle, y un obturador. La tapa lleva también un control
de caudal para limitar el caudal de pilotaje desde la válvula
piloto al drenaje "Y". El inserto del cartucho es la etapa
principal y está formado por una corredera deslizante
mantenida normalmente en la posición abierta dentro de la
camisa mediante un muelle.
Funcionamiento de la válvula reductora.
E1 orificio "B" es la entrada a alta presión, y el "A" es la
salida a presión reducida. A todas las presiones inferiores al
taraje de la válvula piloto en la tapa, las presiones en
el área "Ap", cl orificio “B” y el “A” son iguales, y el muelle
del inserto mantiene la corredera contra el anillo de
retención en la camisa. Esta es la posición normalmente
abierta de la válvula reductora.
Cuando la presión llega al taraje de la válvula piloto, la
presión en el área ".Ap" queda limitada a este valor. Si la
presión en los orificios "A" y "B" continua aumentando, se
establece un pequeño caudal del pilotaje desde "B" a través
del orificio piloto "X", el control de caudal compensado por
presión, y el obturador de la válvula piloto, al drenaje "Y".
Cuando la presión que va aumentando en el orificio "A" se
iguala con la presión en "Ap" más el valor del muelle del
inserto, la corredera se cierra lo suficiente¡¡¡ para limitar la
presión de salida en el orificio "A" a este valor, mientras que
la presión en el orificio de entrada "B" puede continuar
aumentando. Cualquier punta de presión en "A" que cierre
momentáneamente la corredera queda eliminada a través de
la pequeña válvula antirretorno incorporada en la corredera.
El control de caudal compensado por presión incorporado en
la tapa mantiene un caudal de pilotaje constante a través del
obturador de la válvula piloto, que reduce el margen de
sobrepresión. Si se utilizase un orificio fijo, este caudal
podría aumentar al aumentar la presión en el orificio "B".
Cuando la presión del sistema llega al taraje de la válvula de
seguridad piloto dc la tapa, la presión en el área "Ap" queda
limitada a este valor. Si la presión del sistema continua
aumentando, se establece un pequeño caudal de pilotaje a
través del orificio piloto "X", el orificio de control, el
obturador dc la válvula piloto, el orificio "Y", y el drenaje.
El orificio de control limita la magnitud de este caudal de
pilotaje. Cuando la presión del sistema aumenta más allá de
la presión en "Ap" más el valor del muelle del inserto
(aproximadamente 30 psi, 2.07 bar, 206.82 kPa), la corredera
de éste se abre permitiendo que el caudal pase de "A" a "B"
y al tanque, lo que limita la presión máxima del sistema.
Válvula de seguridad drenada al tanque
Sobre la tapa de una válvula de seguridad con una interfase
adecuada puede montarse una electroválvula con un solo
solenoide y retorno por muelle (Fig. 12-20). Con el
solenoide desexcitado, la válvula de seguridad está drenada
al tanque a través de la electroválvula, "P" a "B" a "Y" (el
drenaje). Cuando se excita el solenoide, se bloquea la
comunicación a tanque en la electroválvula, y la válvula de
seguridad queda cerrada para todas las presiones inferiores a
su taraje.
Válvulas de cartucho para insertar como controles de
caudal
Hay dos tipos básicos de controles de caudal: Compensados
por presión y no compensados por presión. Estos últimos se
utilizan cuando las presiones debidas a las cargas se
mantienen relativamente constantes y no se requiere
demasiada precisión. Pueden ser tan sencillos como un
orificio fijo o una válvula ajustable de aguja.
Válvula de control de caudal no compensada por presión
Una válvula de cartucho con un ajuste de carrera en la tapa y
un obturador con ranuras reguladoras (Fig. 12-22) suministra
un control no compensado por presión del caudal muy
parecido al de una válvula de aguja. No obstante, la válvula
de cartucho presenta una característica adicional: puede
abrirse o cerrarse sin cambiar el ajuste del estrangulamiento
comunicando a tanque o presurizando la cámara del muelle.
La tapa con el ajuste de carrera lleva un pasador que se
extiende dentro de la cámara dcl muelle. Este pasador limita
la distancia que el obturador puede alejarse de su asiento.
El símbolo gráfico de una tapa con la característica de
carrera ajustable incluye un rectángulo que representa el
accionamiento manual y una flecha que indica que la carrera
es ajustable.
La figura 12-23 muestra una aplicación de la tapa con ajuste
de carrera con un obturador con ranuras reguladoras en "V".
Este es un sistema de regulación no compensada por presión
que controla la velocidad de salida del pistón regulando el
caudal de aceite que entra en la sección mayor del cilindro.
Control de caudal compensado por presión, tipo por
derivación de caudal
Este tipo de control proporciona un caudal constante igual al
caudal ajustado manteniendo una pérdida de presión
constante e independiente de la carga, a través de un
estrangulamiento. Un obturador de relación de áreas l:l y una
tapa normalizada, como se muestra en la figura 12-24,
suministran la compensación por presión a un cartucho
regulador de caudal instalado en derivación. El caudal que
pasa por el estrangulamiento de una válvula de cartucho que
lleva un ajuste de carrera y un obturador regulador de 1:2,
origina una pérdida de carga. Esta es detectada a lo largo del
inserto l:l y los orificios "A" y "X" del compensador por
presión. Cuando la pérdida de carga se iguala al taraje del
muelle del inserto (aproximadamente 30 psi, 2.07 bar,
206.82 kPa), el obturador se abre y envía el exceso de caudal
al depósito.
Un aumento en la carga del cilindro haría subir la presión en
el orificio "X" lo que elevaría el nivel de presión en "A" en
la misma proporción lo que mantendría constante la pérdida
de carga a través del estrangulamiento. Esto, a su vez,
mantendría constante el caudal que pasa por el mismo.
La presión a la salida de la bomba es aproximadamente 30
psi (2.07 bar) (206.82 kPa) más elevada que la que pide la
carga. Con esta disposición no se limita la presión máxima.
En la figura 12-25 se muestra una limitación de osta presión
suministrada reemplazando la tapa básica del inserto l:l de la
válvula compensada por presión por otra con una válvula de
seguridad incorporada. Esta válvula de seguridad piloto
limita la presión en el área "Ap" del obturador. La presión
máxima del sistema viene limitada por esta presión más el
taraje del muelle del compensador.
Control de caudal compensado por presión, tipo por
estrangulamiento en serie
Un inserto de válvula reductora con una tapa normalizada
actúa como un compensador de presión
cuando se conecta en serie con un inserto regulador del
caudal de 1:2 (Fig. 12-26). Con este control de caudal
pueden diseñarse circuitos con regulación a la entrada, a la
salida, o por substracción.
La presión de salida del orificio "B" se aplica al área "AP"
del compensador por presión mediante una línea sensora de
carga. El estrangulamiento restringe el caudal, de forma que
la presión en los orificios "A" del estrangulamiento y del
compensador aumentará. Cuando esta presión se iguala con
la presión en el área "Ap" de la corredera del compensador
más el taraje de su muelle, esta corredera se cerrará lo
suficientemente para limitar la presión a este valor. Por
consiguiente, la diferencia de presiones entre los orificios
"A" y "B" del estrangulamiento será siempre igual al taraje
del muelle del compensador. Con una diferencia constante
de presiones asegurada a través del estrangulamiento, el
caudal será constante hasta que éste se ajuste para un caudal
mayor o menor.
VALVULAS DE CARTUCHO REGULADORAS DE
CAUDAL PROPORCIONALES
Una válvula reguladora de caudal proporcional es una
válvula normalmente cerrada, controlada por un solenoide,
que se abre proporcionalmente a una señal eléctrica a éste
enviada. En la sección siguiente se estudian las válvulas de
cartucho proporcionales de mando directo y de dos etapas,
tipo cartucho para insertar.
Válvulas reguladoras de caudal proporcionales y de
mando directo
El caudal que pasa a través dc estas válvulas (Fig. 12-27) es
controlado desde el orificio "A" al "B". La corredera está
equilibrada hidráulicamente mediante un pasaje taladrado
que conecta el área "A" a un área anular igual. Un muelle
mantiene la corredera normalmente cerrada cuando no se
envía ninguna señal eléctrica al solenoide.
solenoide. Un sensor de posición, llamado LVDT (linear
variable differencial transformer), transformador diferencial
variable lineal, está situado en la armadura del solenoide
para controlar su movimiento (Ver el capítulo 14 para más
información sobre el LVDT).
Una señal de entrada al solenoide abre la válvula hasta que la
señal dcl LWT se equilibra con ella. Por consiguiente, la
abertura de la válvula es proporcional a la señal de entrada.
Válvulas de cartucho reguladoras de caudal
proporcionales de dos etapas
Para tamaños mayores de cartucho, se requiere una válvula.
de dos etapas (Fig. 12-28). E1 solenoide proporcional actúa
directamente sobre una corredera piloto con retomo por
muelle. Cuando se desexcita la bobina, el aceite de pilotaje
procedente del orificio "A" es dirigido a la parte superior de
la corredera principal. Por consiguiente, ésta está equilibrada
hidráulicamente cuando se mantiene cerrada por su muelle.
Cuando se aplica una señal al solenoide, la corredera piloto
se mueve contra su muelle para abrir parcialmente el paso
del aceite de pilotaje al depósito, lo que origina que la
presión piloto disminuya en la cámara del muelle de la
corredera principal. La presión en el orificio "A" abre
entonces esta corredera. Y el sensor de posición LVDT
genera una señal que se compara con la señal de entrada al
solenoide. Cuando ambas señales son iguales, la corredera
principal suministra una abertura que es proporcional a esta
señal de entrada.
VALVULAS DE CARTUCHO PARA ROSCAR
Estas válvulas son un segundo grupo de válvulas de cartucho
que se utilizan para controlar la presión, el caudal, y la
dirección. Como se ha visto anteriormente en este capítulo,
estas válvulas realizan funciones similares, pero funcionan
de forma distinta que las válvulas de cartucho para insertar.
La sección siguiente estudia los aspectos en que estas
válvulas difieren unas de otras.
Características únicas de las válvulas de cartucho para
roscar
La diferencia principal entre ambos tipos de válvulas se
refiere a la forma en que se realizan sus funciones de control
hidráulico. Típicamente, las válvulas para insertar dependen
de una válvula piloto para poder realizar una
función hidráulica completa. La mayoría de las válvulas para
roscar pueden realizarla por si solas.
Ambos tipos de válvulas también difieren en aspectos de
diseño. Mientras que la mayoría de las válvulas para insertar
son del tipo obturador, las de roscar combinan obturadores y
correderas. Como todas las válvulas de cartucho, las
diseñadas para roscar pueden instalarse en un bloque o
utilizarse como conjuntos individuales. No obstante, a
diferencia de las válvulas para insertar, el exterior de una
válvula para roscar lleva roscas que pueden atornillarse en
un bloque o una cavidad individual. El diseño roscado
difiere del de insertar que no tiene roscas y lleva una tapa
que mantiene los elementos de la válvula en su lugar.
Las válvulas de cartucho para roscar comparten las
características de flexibilidad con las válvulas para insertar.
Tiene piezas normalizadas comunes que las hacen más
fácilmente intercambiables y más fáciles de mantener que
otros tipos de válvulas. Como indica la figura 12-29, las
válvulas de cartucho para roscar y sus cavidades pueden
realizar funciones de dos, tres, tres corto y cuatro vías. Estas
funciones se refieren a válvulas y cavidades con dos, tres
orificios, tres orificios y uno actuando como piloto (tres vías,
corto), y cuatro vías. En 1a misma cavidad pueden instalarse
muchas funciones distintas. Para visualizar su flexibilidad,
todos los diferentes tipos de válvulas mostrados en la figura
1230 pueden instalarse en la misma cavidad para dos vías.
En la sección siguiente, se examinarán algunas de las
características y funcionamiento del diseño básico de una
serie de estas válvulas que proporcionan funciones de
control del caudal, de la presión y de la dirección.
VALVULAS DE CARTUCHO PARA ROSCAR COMO
CONTROLES DE DIRECCIÓN
Ambas válvulas de cartucho, para insertar y para roscar, se
utilizan para funciones de control direccional. Los tipos para
roscar se utilizan para controlar la dirección de los fluidos
hidráulicos incluyendo una variedad de válvulas de mando
eléctrico, hidráulico, manual giratorio, eléctrico pilotado,
válvulas antirretorno y válvulas selectoras.
Válvulas de control direccional de dos vías
La figura 12-31 representa una válvula de dos vías tipo
obturador, normalmente cerrada, controlada eléctricamente y
pilotada hidráulicamente. La válvula lleva dos orificios
(entrada y salida), con el orificio de entrada lateral y el de
salida en la base. Cuando el solenoide no está excitado, se
bloquea el paso del caudal desde el orificio de entrada al de
salida, debido a que un pequeño orificio en el lado del
obturador principal permite que la presión en el orificio de
entrada actúe dentro del obturador. Puede haber caudal del
retorno desde el orificio de salida al de entrada cuando la
presión a la salida supera a la de entrada combinada con el
muelle de la armadura.
Cuando se excita el solenoide, la armadura se eleva y hace
subir el pasador piloto fuera de su asiento en el obturador
principal. Esto expone un orificio mayor que el del lado de la
corredera principal. Ahora, es posible el paso del caudal
desde el orificio de entrada hasta el de salida, debido a que la
presión en el orificio de entrada no puede actuar dentro de la
corredera principal como cuando el orificio mayor estaba
bloqueado por el pasador piloto. Es también posible el paso
libre del caudal desde la salida a la entrada cuando el
solenoide está excitado. Este caudal circula debido a que un
pequeño disco antirretorno en la base de la corredera
principal cierra el orificio mayor cuando la presión a la
salida excede a la de entrada.
La válvula tipo corredera accionada eléctricamente mostrada
en la figura 12-32, es una válvula normalmente cerrada con
dos orificios. Según cual sea la posición de la corredera, esta
válvula puede bloquear o permitir cl paso del caudal en
ambas direcciones, al contrario de lo que ocurría con la
válvula de obturador, que sólo puede bloquear el caudal en
una dirección. Como indica la figura, cuando el solenoide no
está excitado, la válvula está cerrada y el caudal está
bloqueado en ambas direcciones. Cuando se excita el
solenoide, la corredera equilibrada hidráulicamente se mueve
para permitir el paso del caudal en ambas direcciones.
En la figura 12-33, se muestra una válvula tipo obturador
con dos orificios, normalmente abierta, accionada
eléctricamente y controlada hidráulicamente. Esta válvula
permite el paso libre del caudal en el sentido contrario.
Cuando el solenoide no está excitado, el caudal pasa
libremente desde el orificio dc entrada al de salida en la base.
Como ya se ha visto en otras válvulas que hemos descrito
anteriormente, un disco antirretorno en la base del obturador
permite que el fluido salga por el orificio mayor, lo que hace
que la presión disminuya dentro del obturador. El disco
antirretorno se cierra cuando el fluido empieza a llegar desde
el orificio de salida, lo que impide que la presión aumente
dentro del obturador.
Cuando se excita el solenoide, su armadura empuja el
pasador piloto hacia abajo para cerrar el orificio mayor en la
corredera principal. Esto bloquea el caudal de la entrada a la
salida, porque la presión a la entrada actúa dentro del
obturador principal mediante el pequeño orificio lateral.
Puede haber caudal en el sentido contrario desde la salida a
la entrada cuando se excita el solenoide y la presión en el
orificio de salida es mayor que la de entrada en una
magnitud igual a los valores del muelle y del solenoide.
Obsérvese que si esta válvula se instala en cualquier posición
que no sea la vertical, el obturador puede no estar en su
asiento cuando el solenoide no está excitado. No obstante,
debido a que en esta situación no hay ninguna restricción
sobre el caudal, esto no afecta al funcionamiento de la
válvula.
La figura 12-34 muestra una electroválvula tipo corredera,
de accionamiento directo y normalmente abierta. Es una
válvula de cartucho de dos vías que permite el paso del
caudal en ambas direcciones cuando e1 solenoide no está
excitado. Cuando éste se excita, la corredera se mueve para
bloquear el paso del caudal a través de la válvula.
Válvula de control direccional de tres vías
Esta válvula se muestra en la figura 12-35. Cuando no se
excita el solenoide, el muelle desplaza la corredera a la
posición que permite el paso del caudal entre !os orificios
"B" y "C" en ambas direcciones. Cuando se excita el
solenoide, el solenoide obliga a moverse a la corredera a su
segunda posición que bloquea el orificio "C" y permite el
paso del caudal en ambas direcciones entre los orificios "B"
y "A".
Válvula de control direccional de cuatro vías
Con las válvulas de cartucho para roscar hay también
válvulas direccionales de cuatro vías. Por ejemplo, la figura
12-36 representa una válvula de corredera accionada
eléctricamente, de dos posicione, y cuatro vías. Cuando el
solenoide no está excitado, el muelle desplaza la corredera a
la posición que conecta el orificio "P" al "C1", y el "C2" al
"T".
Cuando se excita el solenoide, la corredera se mueve para
conectar el orificio "Cl" al "T", y el "P" al "C2".
Válvula manual de control direccional
Además de las válvulas accionadas hidráulicamente y
controladas eléctricamente, hay también válvulas accionadas
manualmente que realizan funciones de control direccional.
La figura 12-37 muestra una válvula tipo corredera de dos
posiciones y tres orificios de mando manual giratorio. La
posición de la corredera y, por consiguiente, la dirección del
caudal, se cambian haciendo girar 90º un botón manual. Una
posición de la corredera permite que el caudal circule entre
los orificios "C" y "B", y bloquea el orificio "A"; la segunda
posición permite el paso del caudal entre "A" y "B" y
bloquea “C”.
Cuando el botón se substituye por una palanca con retención
mecánica, la válvula se convierte en una válvula de tres
posiciones con todos los orificios bloqueados en la posición
central.
Válvulas de control direccional accionadas
hidráulicamente
Estas válvulas son otro grupo de válvulas de control
direccional. La figura 12-38 muestra una válvula pilotada
hidráulicamente con tres orificios: "A", "B", y "C". La
corredera deslizante de la válvula tiene dos posiciones y
retorno por muelle. Cuando la presión del muelle es superior
a la de pilotaje, el caudal pasa de "A" a "B", y el orificio "C"
queda bloqueado.
La cámara del muelle está drenada internamente al orificio
"A". Por consiguiente, la presión piloto debe ser mayor que
la presión del muelle más cualquier presión en el orificio
"A", para accionar la válvula. Cuando la presión piloto vence
las presiones que se le oponen, la corredera se mueve para
bloquear el orificio "A" y permitir el paso del caudal entre
los orificios "C" y "B".
Válvulas antirretorno
Las válvulas de cartucho para roscar incluyen válvulas
antirretorno que controlan también la dirección del fluido
hidráulico. La figura 12-39 es una válvula antirretorno
simple con obturador. Hay disponibles diferentes muelles
que requieren presiones distintas de abertura hasta 300 psi
(20.68 bar, 2068.20 kPa).
Las válvulas de cartucho para roscar pueden ser también
válvulas antirretomo pilotadas, como el ejemplo mostrado en
la figura 12-40. En ésta válvula, el área del pistón piloto es
cuatro veces mayor que el área del asiento. Es posible el
paso libre del caudal en el sentido contrario cuando la
presión piloto es por lo menos la cuarta parte de la presión
en la cámara del muelle combinada con la tensión de éste.
Válvulas selectoras
Las válvulas selectoras son otro grupo de válvulas de
cartucho para roscar que se utilizan para el control
direccional. La válvula en la figura 12-41 es una válvula de
esfera con tres orificios. Cuando la esfera está apoyada en
uno de los orificios de entrada, hay paso libre del
caudal entre el otro orificio de entrada y la salida. Cuando la
presión en el orificio de entrada bloqueado obliga a separarse
la esfera, el otro orificio de entrada que antes estaba libre, se
bloquea, permitiendo el paso libre del caudal del orificio
previamente bloqueado al orificio de salida.
La válvula direccional mostrada en la figura 12-42 es una
válvula selectora para refrigerar el aceite. Es una válvula de
mando hidráulico, tipo corredera centrada por muelles y
lleva tres orificios. Estas válvulas se utilizan frecuentemente
en los sistemas con transmisiones hidrostáticas. Como ya se
indica en el circuito de la transmisión hidrostática cerrada de
la figura; esta válvula selectora hace que un nuevo
suministro de aceite hidráulico frío entre en el sistema
procedente de la bomba de prellenado, permitiendo que una
igual cantidad de aceite caliente. usado pase del orificio "P"
al "T" y después a través de la válvula de seguridad de
presurización.
VALVULAS DE CARTUCHO PARA ROSCAR COMO
CONTROLES DE PRESION
Los tipos de válvulas de cartucho para roscar utilizados para
controlar la presión incluyen válvulas de seguridad, válvulas
reductoras y de seguridad, válvulas de secuencia, y válvulas
de descarga.
Válvulas de seguridad
La figura 12-43 muestra una válvula de seguridad sencilla de
mando directo y normalmente cerrada. Cuando la presión
que actúa en el orificio "P" vence al taraje del muelle, la
válvula se abre para dirigir el aceite de "P" a "T".
La figura 12-44, es una válvula de seguridad pilotada,
normalmente cerrada. Otra vez, la presión del sistema está
aplicada en el orificio "P", y el "T" está conectado al
depósito. La corredera de la etapa principal está equilibrada
hidráulicamente hasta que la presión del sistema llega al
taraje de la válvula piloto. Cuando la presión del sistema
vence a este taraje y al del muelle ligero, la corredera se
eleva para dirigir el aceite al depósito.
Válvulas reductoras y de seguridad
Una válvula de cartucho puede también servir como válvula
reductora y de seguridad al mismo tiempo. La válvula de la
figura 12-45 es una de estas válvulas de mando directo. El
orificio primario del sistema es el orificio lateral más bajo, la
presión reguladora está en el orificio inferior, y el orificio de
tanque es el orificio lateral más elevado.
En esta válvula, cuando la presión a la salida es inferior a su
taraje, la corredera baja para permitir el paso libre del caudal
desde el orificio primario a la salida lo que bloquea el
paso del caudal al depósito. Cuando la presión a la salida
llega al taraje de la válvula, la corredera se aleja del orificio
de salida para restringir parcialmente el paso del caudal,
limitando por consiguiente la presión en el orificio de salida.
Cuando la presión a la salida excede del taraje de la válvula,
la corredera se desplaza todavía más para permitir el paso del
caudal al depósito. El movimiento de la corredera bloquea
también el orificio primario de presión.
Existe también una válvula de cartucho para roscar pilotada,
normalmente abierta, para !as funciones de seguridad y de
reducción de presión (fig. 12-46). Como puede verse, en esta
válvula los orificios de presión, presión reducida y tanque
están en la misma posición que en la válvula de mando
directo que acabamos de ver. La diferencia en esta válvula es
que la presión en la cámara del muelle ligero de la etapa
principal viene limitada por !a válvula piloto tipo esfera. En
consecuencia, la presión en el orificio de salida viene
limitada a la presión de la válvula piloto más la presión del
muelle ligero. Esta válvula, además de utilizar una etapa de
pilotaje, funciona como una válvula de seguridad y reductora
de presión de mando directo.
Válvula de secuencia
Otro tipo de válvula de cartucho para roscar utilizada como
control de presión, es la válvula de secuencia de corredera y
de mando directo (fig. 12-47). Esta válvula lleva pilotaje
interno para poder mantener presión en el sistema primario
en su parte inferior. El orificio de secuencia es el orificio
lateral más bajo, mientras que et lateral más alto se conecta
al depósito. Cuando la presión es inferior al taraje ajustable
de la válvula, el orificio primario está bloqueado y el de
secuencia está conectado al depósito. Cuando 1a presión en
el orificio primario llega al taraje de la válvula, la corredera
se levanta para permitir el paso del caudal desde el orificio
primario al de secuencia. Cuando esto ocurre, el orificio de
tanque está bloqueado.
Válvula de descarga
Otra válvula de cartucho para roscar similar es la válvula de
descarga mostrada en la figura 12-48, que es también una
válvula tipo corredera pero con pilotaje externo. Como la
figura indica, cl orificio piloto de esta válvula es el situado
en su parte inferior, el ori6cio primario es el lateral más
elevado, y el de tanque el lateral inferior. Cuando la presión
de pilotaje es inferior al taraje ajustable de la válvula, el
orificio de presión está bloqueado. Cuando esta presión
excede del taraje, la corredera se mueve hacia arriba y abre
e1 paso del caudal desde el orificio primario al depósito.
Las válvulas de cartucho para roscar como controles de
caudal
Además de las funciones de control de la presión y de la
dirección, las válvulas de cartucho para roscar pueden
también utilizarse para controlar el caudal. Los tipos
utilizados incluyen válvulas de aguja, válvulas reguladoras
de caudal, válvulas en derivación, válvulas de prioridad y
divisores de caudal.
Válvula de aguja
La figura 12-49 representa una válvula de control del caudal
tipo estrangulamiento variable denominada válvula de aguja
que lleva una corredera tipo aguja cónica para suministrar un
control preciso del caudal o aplicaciones de válvula de paso.
No existe compensación por presión en esta válvula. El
caudal puede ser regulado en ambas direcciones.
Válvulas reguladoras de caudal compensadas por presión
La figura 12-50 muestra una válvula reguladora de caudal no
ajustable, tipo estrangulamiento. Esta válvula suministra un
caudal constante aunque varíe la presión debida a la carga.
Como indica la figura, el caudal compensado por presión
circula únicamente desde el orificio de entrada al de salida.
El tamaño del pasaje en el orificio de salida se modula para
mantener constante la diferencia de presiones a través del
orificio de control. La pérdida de carga en este orificio se fija
en fábrica y viene determinada por el muelle de la válvula.
La figura 12-51 muestra otro tipo de control de caudal del
tipo estrangulamiento variable compensado por presión. Esta
válvula es ajustable. De nuevo, la compensación por presión
funciona desde el orificio de entrada al de salida. Como
puede verse, esta válvula incluye dos válvulas de cartucho
para roscar. Uno es un orificio sencillo ajustable y el otro un
compensador por presión tipo estrangulamiento variable. El
cartucho compensador por presión mantiene una pérdida de
carga constante (igual al taraje del muelle) a lo largo del
cartucho de orificio ajustable variando la pérdida de carga a
través de la corredera del compensador al orificio de salida
cuando varía la presión de la carga.
Válvulas compensadoras por presión por derivación del
caudal
Estas válvulas son otro grupo de válvulas de cartucho
utilizadas para regular el caudal y pueden ser ajustables o no
ajustables. La figura 12-52 muestra este último tipo.
El caudal desde el orificio de entrada al orificio del caudal
regulado, esta compensado por presión. Cualquier caudal
superior al fijado por la válvula es derivado por un orificio
en derivación. Si esta línea en derivación va al tanque, la
válvula se denomina válvula de control compensada por
presión por derivación de caudal. Si esta línea envía el
caudal a una segunda función de carga, la válvula se llama
válvula de prioridad, porque la primera operación es
prioritaria respecto a la segunda.
En al figura 12-53, puede verse otro tipo de estas válvulas.
Como las válvulas reguladoras de dos cartuchos, estudiadas
anteriormente, esta válvula contiene también dos cartuchos:
uno es una corredera compensada por derivación de caudal,
mientras que el segundo es un orificio ajustable.
Válvulas divisoras de caudal
La válvula de control de caudal mostrada en la figura 12-
54A es un divisor de caudal, no ajustable, compensado por
presión. Esta válvula divide o combina el caudal en una
cierta proporción con independencia de la variación de la
presión o de la carga. Esta figura muestra la posición neutra
de las correderas cuando no hay cargas ni fuerzas de presión.
El ejemplo de la figura 12-54B muestra la función divisora
de caudal. Cuando el caudal entra por el orificio de presión,
la contrapresión creada por los orificios fijos separa las
correderas hasta que los extremos quedan enganchados.
Estas trabajan conjuntamente para compensar las variaciones
en la presión de la carga.
La válvula funciona en función de combinación de caudales
cuando el caudal procedente de dos lugares distintos es
dirigido a los orificios regulados (Fig. 12-54C). La
contrapresión creada por los orificios fijos mantiene juntas
las correderas. Otra vez, éstas trabajan conjuntamente para
compensar las variaciones en la presión de carga.
VÁLVULAS DE CARTUCHO PARA ROSCAR
SENSORAS DE DIFERENCIA DE PRESIONES
Estas válvulas (mostradas en la figura 12-55) realizan una
amplia variedad de tareas, pero estos elementos no realizan
una función completa como las otras válvulas para roscar
que ya hemos considerado. Se utilizan para responder a
diferencias de presiones detectadas en-otras válvulas. Estas
válvulas detectadas son básicamente interruptores todo/nada
del caudal que se utilizan como válvulas piloto y funcionan
de forma muy parecida a las válvulas de cartucho para
insertar que ya se han visto en la primera parte de este
capítulo.
CUESTIONARIO
1. Describa las tres diferencias más importantes entre las
válvulas dc cartucho para insertar y para roscar.
2. Mencionar cinco ventajas del uso de las válvulas
de cartucho.
3. ¿Qué otro tipo de válvulas convencionales es muy
similar a las válvulas de cartucho para insertar?
4. ¿Cuál es el significado de las áreas "AA", "AB" y "AAP"
de las válvulas de cartucho para insertar?
5. ¿Cómo se determina la relación de áreas del inserto de
una válvula?
6. Los obturadores y las camisas de estas válvulas con
diferentes relaciones de áreas ¿son intercambiables?
7. ¿Cuáles son las tres variables que hay que tener en
cuenta al determinar las fuerzas de abertura y de cierre?
8. Identificar las fuerzas que actúan para abrir una válvula
y las que actúan para cerrarla.
9. ¿Qué determina si la válvula está abierta o cerrada?
10. Cuando se utiliza un inserto de relación de áreas 1:2
como válvula antirretorno ¿por qué es mejor conectar la
cámara "Ap" al orificio "B" que el “A”?
1l. Explicar en que difiere el dimensionamiento de una
válvula de cartucho del de una válvula convencional
tipo corredera.
12. ¿Cuál es la ventaja de un circuito de control de pilotaje
independiente en el que cada válvula de cartucho para
insertar es actuada por una electroválvula?
13. Describir brevemente las dos funciones principales de
la tapa básica de un cartucho para insertar.
14. Explicar la característica adicional de 1a tapa con
interfase para una válvula piloto.
15. Explicar la diferencia entre una válvula de seguridad
convencional y otra de cartucho para insertar.
16. Explicar la diferencia entre una válvula de cartucho
para insertar reguladora de caudal compensada por
presión y una válvula típica de aguja que realiza una
función similar.
17. Describir como puede obtenerse una limitación de la
presión máxima en una válvula de control de caudal de
cartucho para insertar, compensada por presión por
derivación de caudal.
18. Describir una válvula proporcional reguladora de
caudal e identificar los dos tipos de válvulas de
cartucho para insertar en este grupo de válvulas.
19. ¿Qué funciones del sistema hidráulico pueden realizar
las válvulas de cartucho para roscar?
20. ¿Qué significan las dos, tres, cuatro vías y tres vías
(cortas) en las válvulas de cartucho para roscar?
21. ¿Qué presión se requiere en el orificio de pilotaje para
permitir el paso del caudal en el sentido contrario en
una válvula antirretorno pilotada de cartucho para
roscar?
22. Describir el funcionamiento de una válvula. selectora
de cartucho.
23. Describir brevemente el funcionamiento de una válvula
de cartucho para roscar que suministra las funciones de
válvula de seguridad y de reductora normalmente
abierta, ambas de mando directo.
24. ¿Cómo una válvula de cartucho para roscar, utilizada
como válvula reguladora de caudal no ajustable y
compensada por presión, mantiene una pérdida de carga
constante a través del orificio de control?
![Oleohidraulica [modo de compatibilidad]](https://img.pdfslide.net/doc/110x75/5591924e1a28abfa0b8b4689/oleohidraulica-modo-de-compatibilidad.jpg)
![presentacion_simbologia oleohidraulica[1]](https://img.pdfslide.net/doc/110x75/5571fb354979599169943eda/presentacionsimbologia-oleohidraulica1.jpg)
