bombas hidraulicas i

7/31/2019 Bombas Hidraulicas i

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BOMBAS HIDRAULICAS I

Bomba HidraulicaEs la bomba en un sistema hidraulico de potencia, el dispositivo encargado detransformar la energia mecanica que se recibe de un impulsor primario que puede ser unmotor de combustion interna, una turbina de vapor o gas, un motor electrico, etc., enenergia cinetica de un fluido, expresada en flujo a traves de un area transversal.

Desplazamiento VolumetricoSe conoce como desplazamiento volumetrico, a la cantidad de fluido que una bombaentrega por cada revolucion, carrera o ciclo; generalmente se expresa en unidades devolumen por revolucion o ciclo.

Desplazamiento PositivoTodas las bombas utilizadas en los sistemas de potencia fluida, estan construidas bajo elprincipio de desplazamiento positivo, dada la carga fisica que se tiene que vencer.

Se entiende por desplazamiento positivo, al hecho de que este tipo de bombas,continuan entregando desplazamiento volumetrico, no importando la oposicion que elflujo encuentre debida a la carga por mover.

Eficiencia VolumetricaDel concepto anterior se desprende la conclusion, de que todas las bombas de cualquiertipo, utilizadas en potencia fluida, tienen una eficiencia en cuanto a su entregavolumetrica.

La eficiencia volumetrica se obtiene al comparar el desplazamiento volumetrico de unabomba cuando en el sistema hidraulico se tiene determinada presion, entre eldesplazamiento volumetrico cuando en el mismo sistema no existe presion alguna.

Como veremos a continuacion, es el concepto de eficiencia volumetrica, uno de los masimportantes a considerar en el momento de seleccionar una bomba hidraulica dentro deun sistema de potencia fluida.

Especificacion de una bomba hidraulicaTradicionalmente, se especificaba una bomba hidraulica dentro de una unidad depotencia, basandose en su presion maxima de operacion y el caudal que dicha bombaentregaba a determinado valor de revoluciones por minuto. A pesar de que estosparametros siguen siendo importantes al momento de disear un sistema, actualmenteson los conceptos de eficiencia volumetrica y desplazamiento volumetrico, los que nosbrindan mayor informacion para tomar una decision.

Por ejemplo, anteriormente en un sistema en el que se requerian 18 galones por minutoy una presion maxima de 2000 PSI, la eleccion podia variar entre una bomba deengranes y una bomba de paletas que cumplieran con dichos parametros. Sin embargo,si introducimos el concepto de eficiencia volumetrica, la eleccion de una bomba deengranes puede resultar en un componente de mayor tamao y mas robusto a fin decompensar su menor eficiencia respecto a una bomba de paletas.

Desplazamiento Fijo o VariableUna bomba de desplazamiento fijo, es aquella cuyo desplamiento volumetrico no puedeser modificado, a menos que se le cambien algunos componentes internos a la misma.

Una bomba de desplazamiento variable en cambio, puede variar su desplazamientovolumetrico, modificando la camara interior con controles externos, ya sean mecanicos,


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electricos o electronicos.

Tipos de BombaExisten basicamente tres tipos de bombas en sistemas hidraulicos de potencia, enreferencia al principio de operacion sobre el cual estan diseadas, a saber:

Bombas de Engranes Bombas de Paletas Bombas de Embolos Axiales

BOMBA DE ENGRANESLos componentes principales de una bomba de engranes, son dos engranes queinteractuan entre si, construido uno de ellos en la flecha principal de la bomba, que hade ser acoplada al impulsor primario. Ver figura No. 6.1.

FIGURA No. 6.1

A este tipo de bombas de engranes se le conoce como bombas de engranes externos yproporcionan caudal mediante el siguiente principio:

Al comenzar el movimiento se produce un vacio en el puerto de admision o entrada de labomba, lo que da como resultado, la presencia de aceite en ese punto, impulsado por lapresion atmosferica en el tanque.

Posteriormente se produce una camara de fluido entre las paredes de dos de los dientesy los platos laterales de la bomba conocidos tambien como platos de presion. Dichoaceite al continuar girando el engrane, es entregado en el puerto de descarga o salida dela bomba y esto trae como consecuencia la creacion de un flujo.

BOMBAS HIDRAULICAS II Las eficiencias volumetricas en bombas de engranes, pueden alcanzar en condicionesoptimas de operacion, hasta un 70%. Sin embargo, las aperturas entre caras de losengranes, entre crestas de los dientes y la carcasa y entre el engrane con las platoslaterales, provocan una perdida constante en el volumen de aceite suministrado a unvalor de presion fijo. Esto significa, que la eficiencia volumetrica a bajas velocidades ybajo flujo, es muy pobre; en conclusion, una bomba de engranes debera ser operadacerca de su velocidad maxima de operacion.

A pesar de que las perdidas por apertura entre superficies, se incrementan con elaumento de presion, estas perdidas son relativamente constantes respecto a variaciones

en la velocidad y la entrega. En una bomba, las perdidas se incrementanaproximadamente 1.5 galones por minuto al pasar de cero a 2000 PSI. sin importar la


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velocidad. Las variaciones en perdidas por cambios de presion, tienen poco efecto en eldesempeo, cuando se opera a mayores velocidades y entregas.

Las bombas de engranes son practicamente inmunes a contaminantes en el fluido, lo queincrementa los valores de desgaste y baja la eficiencia por un lado, pero disminuye elriesgo de fallas subitas, por el otro.

Una variacion de este tipo de bombas de engranes externos, es la bomba de lobulosmostrada en la figura No. 6.2. Este tipo de bombas no esta diseada para altas presionesde trabajo y su entrega de caudal se caracteriza por ser en forma de pulsos. Su pricipiode operacion es basicamente el mismo.

Figura No. 6.2

Tambien de engranes, pero en este caso denominadas de engranes internos, tenemos labomba mostrada en la figura No. 6.3.

Figura No. 6.3

Este tipo de bomba hidraulica es conocida como Gerotor y es precisamente el elementogerotor el que es impulsado por el motor electrico u otro impulsor primario. El contacto

de los dientes del gerotor con la pista del engrane rotor, hace que ambos giren en lamisma direccion, pero debido a que el engrane rotor tiene un diente mas, gira masdespacio.

Esta diferencia en las velocidades de giro de ambos engranes, provoca que en el lado dela admision se forme y vaya incrementandose, una camara que se llena de aceiteproveniente del tanque; conforme la rotacion de ambos engranes continua, la camaraque contiene al aceite se va haciendo mas pequea, lo que obliga a expulsarlo por ellado de descarga de la bomba.

Este tipo de bombas son robustas y sumamente confiables en medios ambientesagresivos, si bien su eficiencia no es muy alta.


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BOMBA DE PALETAS

En este tipo de bombas, un numero determinado de paletas, deslizan en ranurasmaquinadas radialmente en un rotor que gira dentro de una camara o anillo. Estacamara puede ser excentrica con el centro en el centro del rotor, o en una forma oval.

En algunos diseos, la fuerza centrifuga mantiene a las paletas en contacto con el anillo,mientras que estas son forzadas hacia adentro y hacia afuera en la ranura, por laexcentricidad que existe.

Durante la rotacion, conforme la camara formada por las paletas, el rotor, el anillo y lastapas laterales se incrementa, se produce un vacio, lo que da como resultado lapresencia de aceite en ese punto de entrada, empujado por la presion atmosfericaexistente en el tanque.

Al seguir el movimiento de rotacion y disminuir la camara, el fluido es forzado hacia

afuera por el puerto de descarga.

Figura No. 6.4

La bomba ilustrada en la figura No. 6.4, es una de paletas del tipo no balanceado, debidoa que toda la accion de bombeo ocurre en un lado del rotor y la flecha, por lo que estosdos componentes, quedan espuestos a una carga radial. Las bombas de paletas del tipono balanceado, pueden ser de caudal fijo o de caudal variable.

Sin embargo en la actualidad, si se opta por utilizar una bomba hidraulica de paletas, eldiseo que mas se usa en la actualidad es el de tipo balanceado; tienen la pista en formaeliptica y forman dos espacios de bombeo en lados opuestos del rotor, de tal manera quelas cargas laterales se nulifican y la bomba trabaja balanceada. El principio de bombeoes igual al anterior y se muestra en la figura No. 6.5

El desplazamiento volumetrico en las bombas de paletas del tipo balanceado, se puede

variar ya sea aumentando las dimensiones de la elipse o bien aumentando el espesor delcartucho ( anillo, rotor y paletas ), con lo que se aumenta el volumen de la camara deaceite que se va formando conforme la rotacion del rotor.

Existen algunos diseos de caudal variable en bombas de paletas, en los cuales semodifica la dimension de la exentricidad o de la elipse; sin embargo, en la actualidad noson muy utilizadas, debido a la gran popularidad de las bombas de caudal variable depistones axiales.


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Figura No. 6.5

BOMBAS HIDRAULICAS III

BOMBA DE EMBOLOS AXIALES

El tipo de bomba hidraulica con mayor eficiencia volumetrica, lo es la construida bajo elprincipio de embolos axiales. Las transmisiones hidrostaticas por ejemplo, utilizan estetipo de bomba en su version de desplazamiento variable, debido a su gran versatilidad yeficiencia.

Generalmente son nueve u once los embolos que se desplazan axialmente en un cuerpode cilindros y todo este conjunto gira impulsado por una flecha central, al numero derevoluciones que le son transmitidas por el impulsor primario.

La figura No. 6.6 nos muestra los componentes principales de una bomba de embolosaxiales, en una forma sencilla.

Figura No. 6.6

Al conjunto de embolos y el cuerpo de cilindros, se le denomina grupo rotatorio y es elque gira impulsado por el eje, mediante ranurados macho y hembra. El plato de valvulasfisicamente separa al grupo rotatorio de la cubierta trasera de la bomba, que es dondese localizan los ductos de succion y descarga, permaneciendo siempre fijos.

El plato de inclinacion u oscilante por su parte, es donde acientan las rotulas de losembolos con sus zapatas, siendo un componente movil con grado de inclinacion.


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Principio de Operacion

Inicialmente, cuando el plato oscilante no tiene angulo de inclinacion, el grupo rotatoriogira sin que los embolos sufran desplazamiento longitudinal alguno. La misma figura No.6.6, puede ser demostrativa de este punto en la operacion.

Figura No. 6.7

En el esquema de la figura No. 6.7, el plato oscilante presenta una inclinacion positiva ylas zapatas hacen el seguimiento debido a la pelicula de aceite entre las superficies. Elembolo al recorrer 180 y pasar de la parte inferior a la superior respecto al eje de labomba, succiona durante su carrera hacia adelante por efecto jeringa, aceite provenientedel puerto de entrada.

Durante el recorrido de los siguientes 180 para completar una revolucion, el embolo

expulsa al aceite en su carrera hacia atras por el ducto de descarga. De esta forma, cadavez que se produce una revolucion del grupo rotatorio, se dan nueve procesos desuccion, y las descargas correspondientes sumadas, nos dan el total equivalente aldesplazamiento volumetrico de la bomba.

Control del Desplazamiento

Puede observarse, que mientras mayor sea el angulo en el plato oscilante, mayor es lacarrera de desplazamiento de los embolos y por lo tanto mayor el desplazamientovolumetrico de la bomba.

La industria moderna actual, exige diferentes formas de automatizar procesos y por elloal ser el caudal quien nos da la velocidad final que entrega el actuador, variar lainclinacion del plato por diferentes metodos, da a los sistemas hidraulicos modernos, lacapacidad de satisfacer esta demanda.

Se tienen muy diversos metodos para el control de angulo en el plato oscilante, que vandesde un ajuste simple por tornillo, hasta sofisticados controles electronicos con servo-valvula o valvula hidraulica proporcional, comandadas mediante un circuito impreso ymonitoreadas mediante un PLC o micro-computadora.


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Desplazamiento volumetrico fijo

Por supuesto, que en esta version de bombas hidraulicas, tambien hay la opcion decaudal fijo, y la unica variacion es que el plato oscilante permanece mecanicamente fijodentro de la carcasa de la bomba a un angulo con valor calculado para suministrar eldesplazamiento volumetrico de diseo.

PRESION DE DISEO

Un dato muy importante a considerar, cuando se selecciona una bomba, es la presion dediseo de la misma.

Existen dos tipos de presion de diseo a saber:

Presion de Diseo Maxima en Trabajo Continuo, que sera la presion mayor que elsistema pueda alcanzar en forma continua, sin que la bomba presente problemas deoperacion.

Presion de Diseo Maxima Intermitente, que sera un valor de presion pico en el sistema,que se presente en forma esporadica durante la operacion y que la bomba puedesoportar por algunos segundos.

Finalmente diremos que siempre debera tenerse en cuenta el valor de presion en lasuccion de la bomba, esto debido a que una presion mayor en la carcasa de la bomba,puede resultar en un dao en los sellos y el reten de la flecha. Para ello, algunas bombasy las de pistones axiales particularmente, tienen un puerto de drenaje que debera ir

conectado direcamente al tanque de aceite. Una obstruccion en esta linea de drenajepodria resultar en una falla severa en los sellos de la bomba e incluso provocar unafisura en la carcasa de la misma.

BOMBAS HIDRAULICAS IV

EJEMPLO DE CALCULO

En el tema de actuadores hidraulicos, ya sean lineales o giratorios, se tratara el como sedetermina el caudal maximo requerido por uno de ellos y por todos en su conjunto y elcomo se determina la maxima necesidad de caudal en base a la secuencia de operaciondel sistema. De igual manera, explicaremos como se determina la presion necesaria pararealizar un trabajo determinado y la presion maxima del sistema.

Supongamos que ya hemos determinado un caudal maximo necesario de 26.7 galonespor minuto y una presion de 1,475 PSI para que nuestro actuador realice el trabajoindicado.

Para determinar el desplazamiento volumetrico de la bomba que necesitamos en elsistema, utilizamos la siguiente formula:


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En donde:

Dv = Desplazamiento Volumetrico de la bomba hidraulica en pulgadas cubicas porrevolucionGPM = Maximo caudal requerido por el sistema en galones por minutoRPM = Revoluciones por minuto a las que girara la bomba hidraulica

O bien en sistema metrico, tendremos:

En donde:

Dv = Desplazamiento Volumetrico de la bomba hidraulica en centimetros cubicos porrevolucionLPM = Maximo caudal requerido por el sistema en litros por minutoRPM = Revoluciones por minuto a las que girara la bomba hidraulica

Utilazando la primera formula, considerando que el impulsor primario hara girar a labomba a 1,750 RPM, obtenemos un desplazamiento volumetrico necesario de 3.52pulgadas cubicas por revolucion.

Ahora bien, seleccionar una bomba de cualquier fabricante con este unico parametro,seria un grave error pues no estamos considerando la eficiencia volumetrica. Tenemospor lo tanto que analizar, cual es la eficiencia volumetrica del modelo que estamos

considerando a un valor de presion de 1,500 PSI por ejemplo, que es el valor de presionmas cercano al que vamos a necesitar en nuestro sistema, que puede estar en lasgraficas del fabricante.

Supongamos por ejemplo que el fabricante de una bomba de paletas, tiene dos modelosde alguna de sus series de bombas con desplazamientos de 3.84 y 4.33 pulgadas cubicaspor revolucion. Inicialmente podriamos suponer que la bomba de 3.84 [cir] hara eltrabajo, pero si analizamos la eficiencia volumetrica, tendremos que:

Segun el fabricante, el cartucho de 3.84 [cir], nos entrega 26.8 [GPM] a 1,800 [RPM] y1,500 [PSI] de presion.

Utilizando la formula:

tendremos que a 0 [PSI] de presion, ese mismo cartucho no entregara 29.92 [GPM], porlo que su eficiencia a 1,500 [PSI] de presion es del 89.5 %.

Esto mismo quiere decir, que esta bomba con el cartucho de 3.84 [cir] no nos servira,

pues a 1,500 [PSI] su desplazamiento volumetrico disminuye a un valor de 3.44 [cir]que es menor a lo que necesitamos. Se recomienda por lo tanto seleccionar la bomba


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con el cartucho de 4.33 [cir] de desplazamiento que a 1,500 [PSI] estaria entregando3.87 pulgadas cubicas por revolucion.

Potencia Instalada

De la misma forma en que se tiene que involucrar el concepto de eficiencia al momentode seleccionar la bomba hidraulica, se tiene que involucrar el concepto de eficienciageneral del sistema para obtener la potencia instalada en la unidiad de potencia.

En forma general, la forma para obtener la potencia en un sistema hidraulico esta dadapor la formula:

en donde:

P = Presion del sistemaQ = Caudal

Para obtener dicha potencia en [HP], la formula anterior queda de la siguiente manera:

si consideramos una eficiencia total del sistema del 85%, la formula finalmente queda:

En el sistema metrico, la potencia del impulsor primario se especifica en kilowatts.Siguiendo el mismo procedimiento anterior, obtenemos la siguiente formula que nos

permitira conocer la potencia necesaria en el impulsor primario, conociendo la presionmaxima del sistema en [bars] y el caudal de la bomba en [litros por minuto].

Finalmente podemos indicar, que a pesar de que en ambas formulas ya estamosinvolucrando el concepto de eficiencia total del sistema, al momento de especificar lapotencia del motor electrico o cualquier otro impulsor primario, habra que seleccionar elinmediatamente superior disponible comercialmente, con objeto de estar seguros de que

el sistema realizara el trabajo sin problema alguno.CONTROLES DE DIRECCIN I


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Uno de los aspectos que muestran con mayor claridad, la versatilidad de los sistemashidraulicos de potencia, es la manera tan sencilla con la que la direccion de transmisionde energia, puede ser manipulada. Ninguna otra forma de transmision de potencia,proporciona tantas opciones de control para obtener un movimiento lineal reciprocante opara obtener reversa en un movimiento rotatorio. Practicamente, cientos de caballos de

potencia pueden ser cambiados de direccion casi instantaneamente, con un pequenomovimiento de palanca. Por otra parte, las funciones en una determinada maquina,pueden ser totalmente automatizadas, inter-relacionando al control de direccion conseales de control hidraulicas, neumaticas, electricas o electronicas en el mismo sistema.

Existen cuatro caracteristicas fundamentales a estudiar en los controles de direccion queson: el numero de vias, el numero de posiciones, el tipo de carrete y posicion central yfinalmente el tipo de actuador que se utilizara en la valvula.

Numero de Vias

El control direccional es en la practica, un enlace entre diferentes ramales del circuito

hidraulico, de tal manera que todas las lineas que quedan conectadas mediante unavalvula direccional, seran el numero de vias que distingan a esta; en otras palabras, elnumero de puertos principales en el cuerpo de la valvula direccional, seran el numero devias de la misma.

En la figura No. 8.1 se ilustra la superficie de montaje, de una valvula direccional tamaonominal 08, en la cual podemos apreciar cuatro puertos principales "P", "T", "A" y "B";por lo tanto, en este caso estamos hablando de una valvula direccional de cuatro vias.Se pueden observar ademas, dos puertos auxiliares "X" y "Y" que nos sirven parapresion piloto y drenaje externos, pero que no se toman en cuenta en el numero de viasque distinguen a esta valvula.

Figura No. 8.1

En un diagrama hidraulico, el numero de vias es facil de determinar, contando las lineasde trabajo principales que llegan a la misma. Ver figura No. 8.2.


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Figura No. 8.2

Numero de Posiciones

Un solo control direccional, puede establecer diferentes movimientos en un actuador, yesto se logra mediante el numero de posiciones que dicho control tenga. En la figura No.8.3 por ejemplo, podemos lograr mediante este control direccional, que un cilindro semueva en una direccion en el caso del esquema (a) y en direccion contraria, en el casodel esquema (b); por lo tanto, esta valvula representada corresponde a un control dedireccion de dos posiciones.

En el esquema (a), el aceite con un valor de presion regulado por la valvula de alivio,llega a la valvula direccional por el puerto "P" y se dirige al puerto "A" de salida rumbo alactuador; al mismo tiempo, el maquinado del carrete, evita que este flujo pase a lospuertos "B" y "T", que a su vez quedan comunicados, permitiendo que el aceite deretorno del actuador, regrese a tanque.

En su segunda posicion mostrada en el esquema (b), al moverse el carrete hacia laderecha, provoca que ahora el puerto "P" quede comunicado con el puerto "B", elactuador se mueve en sentido contrario, y el aceite proveniente del retorno del actuador,va a tanque debido a que los puertos "A" y "T", tambien quedan comunicados.

Es esta habilidad de poder modificar el maquinado de los carretes y obtener diferentescaracteristicas de flujo, lo que hace este tipo de valvulas, tan utiles.

Tipo de Carrete y Posicion Central

La valvula mostrada en la figura No. 8.3, permite que el actuador se mueva en ambasdirecciones; sin embargo, tiene la desventaja de no tener un punto de reposo que nospermita ejecutar otros movimientos con el sistema hidraulico, o bien que nos permitaarrancar dicho sistema.


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Figura No. 8.3

Es por ello que la condicion mas importante del carrete, es cuando este esta en posicioncentral respecto al cuerpo de la valvula. Inicialmente, esta posicion central se referiaunicamente a clausurar todos los puertos principales y evitar asi cualquier movimiento,pero mas adelante se desarrollaron tipos de centro en los que algunos puertos quedancomunicados entre si para algun fin especifico. Ahora bien, uno de los puntos que hacemas versatiles a este tipo de valvulas, es el hecho de que el cuerpo principal es el mismoy lo que se intercambia para diferentes aplicaciones es el carrete. La figura No. 8.4muestra un esquema de cuerpo principal de valvula direccional.

Figura No. 8.4

CONTROLES DE DIRECCIN II

Utilizando el esquema anterior como cuerpo de valvula direccional unico, vamos aexplicar los tipos de centro mas importantes, con diferentes tipos de carretes y quesucede cuando estos se desplazan hacia un lado o el otro en relacion con la posicioncentral.


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Una valvula con carrete de posicion central "centro abierto" como el mostrado en lafigura No. 8.5, tiene unos maquinados muy delgados de tal manera que en la posicioncentral permite que el aceite fluya libremente entre todos los puertos. Moviendo elcarrete hacia la derecha o la izquierda, se conectara al puerto de presion a un puerto delactuador y el otro puerto del actuador hacia el tanque. Puede ser utilizado para operar

un cilindro o un motor hidraulico en cualquier direccion. Cuando el carrete esta enposicion central, la presion del sistema caera hasta el valor necesario para que el flujoque entrega la bomba pase por la valvula hacia el tanque. Con ambos puertos delactuador abiertos hacia tanque, la valvula no podra evitar que este sea movido por unafuerza externa.


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Figura No. 8.5


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Figura No. 8.6


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Figura No. 8.7


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Figura No. 8.8


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Figura No. 8.9


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Figura No. 8.910


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Un carrete de "centro cerrado", tiene todos los puertos bloqueados en posicion central. Elcilindro o motor hidraulico no se podran mover, excepto por supuesto por la pequeafuga interna entre el cuerpo de la valvula y el carrete. El flujo proveniente de la bombasera bloqueado y la presion en el sistema se incrementara hasta alcanzar la calibracionde la valvula de alivio a menos de que el aceite sea utilizado en otra parte del sistema.

Esto representa ademas, otra ventaja del carrete de centro cerrado ya que la bombapuede ser utilizada para mas de una operacion. Ver figura No. 8.6.

El carrete "Tipo 1" mostrado en la figura No. 8.7, tiene un maquinado delgado y unogrande. Con un puerto proveniente de un cilindro por ejemplo, bloqueado, la valvulapuede soportar la carga en el cilindro, mientras que el flujo de la bomba y el del otropuerto del actuador son enviados a tanque. Siempre que el flujo de la bomba esdescargado a tanque, se conserva energia y esto es benefico.

Hay ocasiones en que es necesario soportar una carga, mientras que el flujo de la bombase utiliza en otras operaciones del sistema. Modificando al carrete tipo 1 anterior,haciendo el maquinado esbelto mas grande, el puerto de presion puede ser bloqueado enposicion central sin cerrar al puerto proveniente del actuador. De esta manera, la valvulacentrada podra soportar una carga, tener el otro puerto dirigido a tanque y permitirautilizar el caudal de la bomba en otra operacion. Este tipo de carrete se conoce como"Tipo 3" y se muestra en la figura No. 8.8.

En la figura No. 8.9 se muestra un carrete que nos permite utilizar el caudal provenientede la bomba en otra aplicacion, pero simultaneamente poder mover al actuadormanualmente ya sea para relocalizarlo u otra razon similar. Este carrete conocido como"Tipo 6", bloquea al puerto de presion, pero mantiene ambos puertos del actuador,abiertos a tanque.

Existen otras combinaciones posibles, maquinando en forma diferente al carrete. Sinembargo, una funcion que no se puede obtener con solo realizar dos maquinados en elcentro al carrete, es el centro "Tipo Tandem" que se muestra en la figura No. 8.10. Enesta valvula, los dos puertos al actuador quedan bloqueados, mientras que el puerto depresion queda dirigido a tanque.

Para lograr esto, se utiliza un carrete hueco que tendra tres orificios hacia el exterior,uno pequeno al centro y dos un poco mas grandes, justo a un lado exterior de cadapuerto al actuador. De esta forma, mientras los maquinados bloquean ambos puertos delactuador, el hueco central en el carrete y los orificios, permiten que el aceite provenientede la bomba se dirija a tanque. Este tipo de centro permite que varias valvulas seanconectadas en serie, logrando que el aceite vaya a tanque libremente, cuando todos loscarretes esten centrados, lo cual proporciona ahorro de energia.

CONTROLES DE DIRECCIN III

Es importante mencionar que el bloqueo de puertos en todos los casos, estadirectamente relacionado con la tolerancia de maquinado del carrete y del cuerpoprincipal de la valvula; sin embargo esta misma tolerancia es causa directa de que existafiltracion de aceite de una camara a otra y es por ello que requerimos forzosamente deun drenaje en la valvula que elimine ese aceite proveniente de las filtraciones entresuperficies. El drenaje en una valvula direccional puede ser interno en el mismo cuerpode la valvula o bien externo conetando el puerto correspondiente y directamente al

tanque.

Por lo que respecta a la presion piloto, esto se refiere a aquella presion necesaria para el


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accionamiento de una valvula direccional compuesta; esto es que en el caso de valvulasdireccionales que van a manejar caudales muy elevados de aceite, son accionadas poruna valvula direccional piloto normalmente tamao D03, colocada en la parte superior dela valvula principal.

Esta valvula requerira de una alimentacion de aceite a presion que se toma de la linea depresion del sistema ya sea internamente en la valvula o bien del exterior utilizando elpuerto x.

Tipo de Actuador de la Valvula

La siguiente pregunta a responder, seria la forma de mover a este carrete a sus distintasposiciones, para lograr las diferentes funciones que pretende el sistema hidraulico;dentro de estas formas, tenemos cuatro grupos, uno mecanico, uno manual, por presionpiloto y electrico. A continuacion enumeramos en las siguientes tablas, estos grupos deactuadores de valvulas con su respectivo simbolo hidraulico.


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Valvulas Direccionales con Seccion Piloto

Inicialmente, todas las vlvulas direccionales, manejaban directamente el caudalcompleto que llegaba a su puerto P, utilizando formas de operacin manual, mecanica

o electrica, idependientemente de la cantidad de caudal y presion de que se tratase.

Conforme estos valores de caudal y presion fueron incrementandose, los metodos deoperacin tuvieron que disearse mucho mas grandes y mas robustos, haciendo que loscontroles direccionales fueran muy voluminosos y ocuparan mucho espacio dentro lamaquinaria a la que comandaban.

Esto dio pie, al desarrollo de las vlvulas direccionales con una seccion piloto,inicialmente tamao D05 y actualmente inclusive, tamao D03, en donde, un pequeocaudal denominado piloto, tomado ya sea del caudal total del sistema, o bien de unafuente externa, se hace llegar a un control direccional colocado en la parte superior de lavlvula principal y este, mediante su forma de operacin, generalmente solenoides

electricos, hace llegar el aceite a presion a cualquiera de los dos extremos del carrete enla seccion principal para que este se desplace. Veamos la siguiente figura.


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Al energizarse el solenoide a por ejemplo, el carrete del control direccional piloto sedesplazara y aceite a presion se dirigira a un extremo del carrete en la vlvula principal,obteniendose una direccion de operacin en el actuador del sistema hidraulico, al tenersecaudal en el puerto A. Si por el contrario, se energiza el solenoide b, tendremosentonces caudal por el puerto B y direccion opuesta de operacin en el actuador.

CONTROLES DE DIRECCIN IV


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Valvulas Check o de Retencion

A pesar de que no se trata de un cambio de direccion en el flujo, es un concenso general,clasificar a las valvulas check dentro de los controles de direccion. En su forma massimple, una valvula check es aquella que permite un flujo libre en un sentido, mientras

que bloquea el flujo en sentido contrario.

En la figura No. 8.11, podemos observar como un resorte ligero usualmente de 5, 30 o75 PSI., mantiene a la valvula cerrada. Cuando el flujo va en el sentido de "flujo libre"mostrado por las flechas de color verde, la valvula abrira al alcanzar dicho flujo lacalibracion del resorte, permitiendo que el flujo pase a traves de ella. En sentidocontrario, el carrete sera forzado contra su asiento y no existira flujo a traves de lavalvula.

Figura No. 8.11

Las valvulas check pueden ser suministradas con resortes de calibracion mayor, esto


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dependiendo de la aplicacion de que se trate; por ejemplo, una valvula check puedesimular funciones de alivio o secuencia o bien puede ser utilizada para mantener presionpiloto en un control direccional operado por piloto. Otra aplicacion es utilizarla como unbypass de seguridad en lineas de retorno y proteger asi intercambiadores de calor ofiltros, en cuyo caso la calibracion del resorte debera ser menor a la especificada como

maxima de operacion de esos accesorios.

En cuanto a su construccion, las valvulas check simples pueden fabricarse en linea comola mostrada en la figura No. 8.11, o a 90 como se muestra en la figura No. 8.12.

Figura No. 8.12

Hasta ahora las valvulas check que hemos visto, son de accion directa, pero tambienpueden suministrarse valvulas check operadas por seal piloto; dentro de este tipo devalvulas check puede haber dos casos, a saber:

Valvula check con seal piloto para abrir. El principio de operacion es el mismo que en

las de accion directa, pero se tiene la ventaja adicional, que se puede obtener flujo libreen reversa, utilizando una linea de presion piloto que habra al popet. La aplicacionprincipal de este tipo de valvulas es para mantener un cilindro aplicado, hasta que seactue la valvula direccional, aprovechando que su fuga interna es muy baja. Ver figuraNo. 8.13.


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Figura No. 8.13

Valvula check con seal piloto para cerrar. En este caso, el flujo en direccion libre solosera permitido, hasta que se tenga una seal piloto en un puerto auxiliar de la valvula;una vez que se tiene esta seal piloto, no se tiene flujo en ninguna direccion. El uso mascomun de esta valvula es cuando se desea descargar un acumulador al momento de queel sistema se para por alguna razon ajena. Ver figura No. 8.14.


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Figura No. 8.14

CONTROLES DE FLUJO I

El tema de control de flujo, debe de analizarse desde dos puntos de vista diferentes; unoel sitio donde se colocara el control de flujo dentro del circuito hidraulico y otro, el tipode control de flujo a utilizar, dependiendo las consecuencias que cada uno produce encuanto a presion y temperatura dentro del sistema.

La idea de poder variar el volumen de fluido por unidad de tiempo que le llega a unactuador, es el que su velocidad de respuesta ya sea lineal en el caso de los cilindros oangular en el caso de los motores hidraulicos, pueda ser diferente, sin tener que variarlas dimensiones fisicas de dicho actuador.

En su forma mas simple, una valvula de control de flujo no es otra cosa que un orificiofijo y mas comunmente variable, en donde dependiendo el tamao de la apertura,variara la cantidad de aceite por unidad de tiempo que entra al actuador. Es importantehacer notar, que el hecho de hacer pasar al flujo por un orificio restringido, forzosamentetendra efectos de caida en el valor de presion; analicemos la figura No. 9.1.

Figura No. 9.1

Supongamos que se tiene una bomba de desplazamiento fijo que nos entrega 8 GPM; sin

embargo, por la velocidad que requerimos en el actuador lineal, solo son necesarios 4GPM y la valvula de control de flujo se ajusta en consecuencia.


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La bomba, al ser de desplazamiento fijo, continuara mandando su caudal especificado, loque implica que los 4 GPM que no pasen por el control de flujo, no tendran otra opcionque ir a tanque a traves de la valvula de alivio y al valor de presion de calibracion de lamisma. Este valor de presion se leera en el manometro "A".

La presion que se lee en el manometro "B", sera determinada por el trabajo realizado porel cilindro. La diferencia entre las dos lecturas, nos indicara la caida de presion que sepresenta en el orificio de restriccion.

Como veremos mas adelante, los controles de flujo podran ser colocados en diferentesposiciones respecto al actuador, dependiendo del tipo de funcion que se quiera controlar.Para ello, se incorpora una valvula check en el mismo cuerpo del control de flujo, cuyoobjeto es controlar la cantidad de flujo en un sentido y permitir flujo libre en el sentidoopuesto. El simbolo hidraulico de un control de flujo con estas caracterisiticas se muestraen la figura No. 9.2.

Figura No. 9.2

POSICION DE UN CONTROL DE FLUJO DENTRO DEL CIRCUITO

Control de flujo a la entrada o por meter-in

La figura No. 9.3 nos muestra el metodo de control de flujo a la entrada del actuador,mejor conocido como meter-in. La valvula de control de flujo se coloca en serie con lavalvula de control direccional y regula la cantidad de flujo de aceite que entra en la parteposterior del cilindro. Este tipo de control es recomendado, para mover cargas resistivas,es decir que se oponen al movimiento del vastago ya que generalmente se requierecontrolar la velocidad a la que este se desplaza.

Por el contrario, si la carga tuviera la tendencia a jalar el vastago, nada evitaria que estosucediera.


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Figura No. 9.3

CONTROLES DE FLUJO II

Control de flujo a la salida o por meter-out

En el metodo de control por meter-out, la valvula de control de flujo se situa entre elpuerto de salida del actuador y la valvula direccional, es decir, que regulara el flujo deaceite que va del actuador hacia al tanque, con lo cual la velocidad del vastago y por

ende de la carga, quedaran bajo control. El check incorporado, nos permitira un flujolibre cuando la valvula direccional nos envie el aceite al lado del vastago del cilidro y conello tengamos velocidad plena de retraccion. Ver figura No. 9.4.

Figura No. 9.4

Control de flujo por sangrado o bleed-off

Un tercer metodo para controlar el flujo hacia un actuador, es el llamado metodo porsangrado, en donde una parte del caudal es desviado en forma controlada a tanque.


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Veamos la figura No. 9.5.

Figura No. 9.5

Cuando el control de flujo esta completamente cerrado, el caudal completo provenientede la bomba, llegara al cilindro; sin embargo, en el momento en que el control de flujoes abierto, parte de la entrega de la bomba va al tanque y el cilindro reduce suvelocidad. Mediante el ajuste de la apertura, el sangrado podra ser mayor y de ese modocontrolaremos la velocidad de nuestro actuador. En este caso, a diferencia de lossistemas de meter-in o meter-out, el exceso de flujo no va a tanque a traves de valvulade alivio y la bomba opera a la presion necesaria para ejecutar el trabajo, lo cual nosahorra energia.

Al igual que en el circuito de meter-in, el metodo por sangrado no controla cargas quetienden a llevarse al vastago y por lo tanto solo se usa con cargas en oposicion.

Es necesario establecer que los metodos de control de flujo por meter-in y meter-out,son de buena precision pero no eficientes, mientras que el metodo por sangrado eseficiente, pero no muy preciso.

Otro punto a considerar si es que se decide utilizar el metodo por sangrado, es que elcontrol de flujo tiene que seleccionarse de acuerdo al flujo que se va a sangrar y no deacuerdo al flujo total de la bomba. Si esta decision es bien tomada al momento del

diseo, puede ahorrarse costo total del sistema.CONTROLES DE FLUJO IIITIPOS DE CONTROL DE FLUJO

Control de Flujo sin Compensacion de Presin

Cuando se pretende realizar un control de flujo mediante un orificio restringido, como elde una valvula de aguja por ejemplo, se obtendran resultados suficientemente buenos,en tanto no se necesite mucha precision en el caudal suministrado y mientras la carga detrabajo no tenga muchas variaciones. Debido a que el flujo a traves de un orificioaumenta, si la caida de presion aumenta, tendremos que el flujo se incrementara amedida que la carga disminuye y disminuira si la carga se incrementa.


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Matematicamente, el flujo a traves de un orificio se obtiene con la siguiente formula:

en donde:

Q = Caudal en galones por minutoA = Area del orificio de restriccion en pulgadas cuadradasP = Diferencia de presion antes y despues del orificio enPSI

De lo anterior podemos sacar las siguientes conclusiones:

Un incremento en la carga en el lado secundario del control de flujo, incrementarala presion despues del orificio y si asumimos que en el lado primario la presion semantiene constante de acuerdo a la calibracion de la valvula de alivio, ladiferencia de presion disminuira lo que significara menos flujo y por lo tantomenor velocidad para realizar el trabajo requerido.

Un incremento en la presion de entrada aumentando la calibracion de la valvulade alivio y si asumimos que la carga a mover es constante, hara que la diferenciade presion a traves del orificio se incremente y el sistema se vuelva mas rapidoen realizar el trabajo.

Si el orificio es variable, abriendolo o cerrandolo cambiamos la resistencia al flujo.Mientras menor es la resistencia menor diferencia de presion necesitaremos entrela entrada y la salida para un flujo dado.

Sabemos que la temperatura del fluido afectara su viscosidad y por lo tanto suresistencia a fluir. Un aceite caliente fluira mas facilmente a traves de unarestriccion dada, que el mismo aceite si esta frio.

Restriccion fija y variable.

La forma mas sencilla de establecer un control de flujo, es mediante una restriccion fijade un orificio en un punto dado. Ver figura No. 9.6

Sin embargo, esto hace muy rigido al sistema y si se desea variar en un momento dado

la velocidad de ejecucion, hay que realizar un paro y cambiar la pieza en cuestion omodificar el orificio de alguna otra manera.


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Figura No. 9.6

Una valvula de aguja como la mostrada en la figura No. 9.7, es la forma mas simple ymenos costosa de obtener un orificio variable.

Con esta valvula, el tamao de la apertura se ajusta mediante la posicion del cono

respecto al asiento. Conforme pasamos de la posicion totalmente cerrada que se obtienecuando la aguja hace contacto con el asiento (figura a), a la posicion totalmente abierta(figura c), el area por la que pasa el flujo, se va incrementando.

A pesar de que este tipo de valvula pudiese utilizarse para manejar flujo en ambossentidos, se recomienda que se utilice con el flujo entrando por el lado de la conicidad,con lo que obtendremos un flujo con poca turbulencia, menos ruido y mayor eficiencia.


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Figura No. 9.7

Finalmente, resulta obvio decir que con este tipo de control no tenemos incorporadocheck alguno y por lo tanto se tendra flujo controlado en ambos sentidos, si bien con lasconsideraciones de turbulencia, ruido y baja eficiencia, ya mencionadas.

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