Hidráulica

La palabra "Hidráulica" proviene del griego "hydro" que significa "agua", y “aulos” que significa cañería o entubamiento, cubrió originalmente el estudio del comportamiento físico del agua en reposo y en movimiento.

La “hidráulica”, por lo tanto, es un adjetivo que implica que la palabra está de alguna manera relacionada con líquidos. Ejemplos pueden ser encontrados en el uso diario de “hidráulica” en conexión con elementos familiares como los gatos de automóviles y los frenos. Como un ejemplo gráfico, la frase “elevador hidráulico de carga” se refiere a un elevador ascendiendo y descendiendo sobre una columna de líquido en lugar de usar cables y un tambor. Por otro lado, la palabra “hidráulica” es el nombre genérico de un tema. De acuerdo con el diccionario la palabra “hidráulica” está definida como la ciencia que trata con aplicaciones prácticas (tales como la transmisión de energía o los efectos del caudal) de un líquido en movimiento.

El uso ha ampliado su significado para incluir el comportamiento de todos los líquidos, aunque se refiera sobre todo al movimiento de líquidos. La hidráulica incluye la manera de la cual los líquidos actúan en los tanques y las cañerías, se ocupa de sus características, y explora maneras de aprovechar las mismas. Hoy el término hidráulica se emplea para referirse a la transmisión y control de fuerzas y movimientos por medio de líquidos, es decir, se utilizan los líquidos para la transmisión de energía, en la mayoría de los casos se trata de aceites minerales pero también pueden emplearse otros fluidos, como líquidos sintéticos, agua o una emulsión agua-aceite.

La potencia fluida es un término que fue creado para incluir la generación, control, y el uso de la energía en forma continua y eficaz de fluidos bombeados o comprimidos (líquidos o gases) cuando se utiliza esta energía para proporcionar la fuerza y el movimiento a los mecanismos. Esta fuerza y movimiento puede estar en forma de empuje, tracción, rotación, regulación, o conducción. La potencia fluida incluye la hidráulica, que se relaciona con los líquidos, y la neumática, que se relaciona con los gases. Los líquidos y los gases son similares en muchos aspectos.

Sistemas hidráulicos

Un sistema hidráulico contiene y confina un líquido de manera que el mismo usa las leyes que gobiernan los líquidos para transmitir potencia y desarrollar trabajo. Vemos aquí algunos sistemas básicos y tratamos componentes de un sistema hidráulico que almacenan y acondicionan el fluido. El reservorio de aceite (sumidero y tanque) usualmente sirve para depósito y acondicionador del fluido. Los filtros, reguladores y conexiones magnéticas acondicionan el fluido al quitar impurezas extrañas que podrían obstruir los pasajes y dañar las partes. Los intercambiadores de calor o enfriadores son usados para mantener la temperatura del aceite dentro de los límites aceptables de seguridad y evitar el deterioro del aceite. Los acumuladores, a pesar de ser técnicamente fuentes de energía almacenada, actúan como almacenes de fluido.

DESARROLLO DE LA HIDRÁULICA

Aunque el desarrollo moderno de la hidráulica sea comparativamente reciente, las antiguas civilizaciones estaban familiarizadas con muchos principios hidráulicos y sus usos. Los egipcios y la población antigua de Persia, India, y China transportaron el agua a lo largo de canales para la irrigación y propósitos domésticos, usando las presas y esclusas para controlar el caudal. Los antiguos cretenses tenían un sistema de fontanería avanzado. Arquímedes estudió las leyes de la flotación y cuerpos sumergidos. Los romanos construyeron los acueductos para llevar el agua a sus ciudades.

Después de la desintegración del mundo antiguo, hubo pocas novedades por muchos siglos. Luego, durante un período comparativamente corto, comenzando cerca del final del siglo XVII, el físico italiano, Evangelista Torricelle, el físico francés, Edme Mariotte, y posteriormente, Daniel Bernoulli condujeron experimentos para estudiar los elementos de fuerza en la descarga del agua a través de pequeñas aberturas a los lados de los tanques y a través de cañerías cortas. Durante el mismo período, Blaise Pascal, científico francés, descubrió la ley fundamental de la ciencia de la hidráulica.

La ley de Pascal indica que el aumento en la presión sobre la superficie de un líquido confinado es transmitido sin disminución a través del recipiente o del sistema que lo contiene . (Éste es el principio básico de la hidráulica).

Para que la ley de Pascal sea útil en usos prácticos, era necesario tener un pistón que “encajara exactamente.” No fue sino hasta la última parte del siglo XVIII en que fueron encontrados métodos para hacer piezas que encajaran con precisión según los requerimientos de los sistemas hidráulicos. Esto fue logrado por la invención de máquinas que fueron utilizadas para cortar y para dar forma a las piezas, logrando el encastre necesario, particularmente, por el desarrollo de juntas y empaquetaduras. Desde entonces, componentes tales como válvulas, bombas, cilindros actuadores, y motores han progresado y perfeccionado para hacer de la hidráulica una de tecnologías principales para transmitir potencia.

La prensa hidráulica, inventada por el inglés John Brahmah, fue uno de los primeras partes realizables de maquinaria desarrolladas que utilizaron la hidráulica en su operación. Consistió en una bomba de émbolo canalizada por tubos a un cilindro grande y a un pistón. Esta prensa encontró uso amplio en Inglaterra porque proporcionó medios más eficaces y más económicos de aplicar grandes fuerzas en aplicaciones industriales. .

CAMPOS DE APLICACIÓN DE LA HIDRAÚLICA Y NEUMÁTICA

En la actualidad las aplicaciones de la oleohidráulica y neumática son muy variadas, esta amplitud en los usos se debe principalmente al diseño y fabricación de elementos de mayor precisión y con materiales de mejor calidad, acompañado además de estudios mas acabados de las materias y principios que rigen la hidráulica y neumática. Todo lo anterior se ha visto reflejado en equipos que permiten trabajos cada vez con mayor precisión y con mayores niveles de energía, lo que sin duda ha permitido un creciente desarrollo de la industria en general.

Los sistemas hidráulicos tienen muchas características deseables. Sin embargo, una desventaja es el elevado costo original de muchos componentes. Esto es mas que superado por mas muchas ventajas que hacen de los sistemas hidráulicos los medios mas económicos de transmisión de potencia. Vemos a continuación algunas ventajas de los sistemas hidráulicos.

Eficiencia. Descontando las pérdidas que puedan ocurrir en sus vínculos mecánicos, prácticamente toda la energía transmitida a través de un sistema hidráulico es recibida a la salida, donde el trabajo es llevado a cabo. El sistema eléctrico, su competidor mas cercano, es 15 a 30% menor en eficiencia. Los mejores sistemas totalmente mecánicos son generalmente 30 a 70% menos eficientes que los sistemas hidráulicos comparables debido a factores de inercia elevada y pérdidas friccionales. La inercia es la resistencia al movimiento, acción  o cambio.

Confiabilidad. El sistema hidráulico es consistentemente confiable. A diferencia de otros sistemas mencionados, el mismo no está sujeto a cambios en el desempeño o a fallas súbitas inesperadas.

Sensibilidad de control. El líquido confinado de un sistema hidráulico opera como una barra de acero al transmitir la fuerza. Sin embargo, las partes móviles son livianas y pueden ser puestas en movimiento o paradas casi instantáneamente. Las válvulas dentro del sistema pueden iniciar o parar la circulación de fluidos presurizados casi en forma instantánea y requerir muy poco esfuerzo para ser manipuladas. El sistema completo es muy manejable por el control del operario.

Flexibilidad de instalación. Las líneas hidráulicas pueden ser colocadas casi en cualquier lugar. A diferencia de los sistemas mecánicos que deben seguir recorridos rectos, las líneas de un sistema hidráulico pueden ser dirigidas alrededor de obstáculos. Los principales componentes de los sistemas hidráulicos, con la excepción de las bombas impulsadas localizadas cerca de la fuente de suministro de potencia, pueden ser instaladas en una variedad de lugares. Las ventajas de estas características son fácilmente reconocibles al estudiar las muchas localizaciones de los componentes hidráulicos en varios tipos de aviones.

Requerimientos de poco espacio. Las partes funcionales de un sistema hidráulico son pequeñas en comparación con aquellas de otros sistemas, por lo tanto, el requerimiento de espacio es comparativamente bajo.

Estos componentes pueden ser fácilmente conectados mediante líneas de cualquier longitud o contorno. Las mismas pueden ser separadas e instaladas en espacios pequeños, sin uso o fuera del camino. Áreas grandes con falta de uso  para los sistemas hidráulicos con innecesarias, en resumen, los requerimientos especiales de espacio son reducidos a un mínimo.

Bajo peso. El sistema hidráulico pesa relativamente poco en comparación con la cantidad de trabajo que hace. Un sistema mecánico o eléctrico capaz de hacer el mismo trabajo pesa considerablemente mas. Dado que el peso de la carga no útil es un factor importante sobre una aeronave, el sistema hidráulico es ideal para el uso en aviación.

Auto lubricación. La mayoría de las partes de un sistema hidráulico operan en un baño de aceite. Los pocos componentes que no requieren lubricación periódica son los vínculos mecánicos del sistema.

Bajos requerimientos de mantenimiento. Los registros de mantenimiento consistentemente muestran que los ajustes y las reparaciones de emergencia a las partes de un sistema hidráulico son necesarios con poca frecuencia.

Fuerza

La palabra “fuerza” usada en un sentido mecánico, significa un empuje o tracción. La fuerza, debido a que empuja o tracciona, tiende a causar que el objeto sobre el cual es aplicada la fuerza se mueva. En ciertas circunstancias, cuando la fuerza que actúa sobre un objeto no es suficiente para superar su resistencia o arrastre, ningún movimiento tendrá lugar. En tales casos, la fuerza aún es considerada como presente.

Dirección de la fuerza. La fuerza puede ser ejercida en cualquier dirección. La misma puede actuar hacia abajo: como cuando la gravedad actúa sobre un cuerpo, empujándolo hacia la tierra. La fuerza puede actuar en forma transversal : como cuando el viento empuja un bote a través del agua. Una fuerza puede se aplicada hacia arriba: como cuando un atleta arroja ( empuja) una bola hacia el aire. O una fuerza puede actuar en todas las direcciones a la vez: como cuando un globo explota.

Magnitud de la fuerza. La extensión (magnitud) de una fuerza dada es expresada por medio de una única medición. En los Estados Unidos, la libra (pound) es la unidad de medición de la fuerza. Por ejemplo, se emplearon 7,5 millones de libras de empuje para elevar (fuerza) la nave Apolo fuera de su lanzadera. La fuerza hidráulica es medida en la cantidad de libras requeridas para desplazar un objeto dentro de un área específica, como por ejemplo una pulgada cuadrada.

Presión.

La palabra “presión”, cuando es usada en conjunto con sistemas mecánicos e hidromecánicos, tiene dos usos diferentes. Uno es técnico; el otro; no técnico. Estos dos usos pueden ser fácilmente distinguidos entre sí por la presencia o ausencia de un número. En el uso técnico, un número siempre acompaña a la palabra “presión”. En el uso no técnico, ningún número está presente. Estas definiciones son explicadas con mas detalles a continuación.

Técnico. El número que acompaña a la presión contiene información específica acerca de la fuerza significativa de la fuerza que es aplicada. La magnitud de esta fuerza aplicada es expresada como el valor al cual la fuerza es distribuida sobre el área sobre la cual está siendo aplicada. Así, libras por pulgada cuadrada (psi) expresan una relación de presión como las millas por hora (mph) expresan velocidad. Un ejemplo de esto es: “El sistema hidráulico en el avión UH-1 funciona a 1500 psi”.

No técnico. La palabra “presión”, cuando es usada en el sentido no técnico indica que una cantidad no especificada de fuerza es aplicada a un objeto. Frecuentemente adjetivos tales como  liviano, medio o pesado son usados para quitar algo de la vaguedad concerniente a la magnitud de la fuerza aplicada.

Medición de presión

Cuando se usa en sentido técnico, la presión es definida como la cantidad de fuerza por unidad de área. Para tener significado universal, consistente y definitivo, la unidades estándar de medición son usadas para expresar presión. En los Estados Unidos, la libra es la unidad de medición usada para la fuerza, y la pulgada cuadrada es la unidad de área. Esto es comparable a la unidad de medición usada para la velocidad: la milla es la unidad de medición de distancia, y la hora es la medición de tiempo.

Una medición de presión es siempre expresada en términos de ambas unidades de medición según lo explicado: cantidad de fuerza y unidad de área. Sin embargo, sólo una de estas unidades, la cantidad de fuerza, es variable. La pulgada cuadrada es usada sólo en singular, nunca mas o menos de una pulgada cuadrada.

Una medición de presión dada puede ser citada en tres modos diferentes y aún significar la misma cosa. Por lo tanto, 50 psi de presión, 50 libras de presión y 50 psi tienen el mismo significado.

Hoy, se utiliza la potencia hidráulica para hacer funcionar muchas y variadas herramientas y mecanismos. En un garaje, un mecánico levanta el extremo de un automóvil con un gato hidráulico. Los dentistas y los peluqueros utilizan transmisión hidráulica, a través pequeños movimientos de una palanca de mando, para levantar y colocar sus sillas a una altura de trabajo conveniente. Los cierres hidráulicos evitan que puertas pesadas se cierren de golpe. Los frenos hidráulicos han sido un equipo estándar en los automóviles desde los años 30. La mayoría de los automóviles se equipan con transmisiones automáticas que son accionadas hidráulicamente. La dirección hidráulica es otro uso de la potencia hidráulica. Los trabajadores de construcción dependen de la energía hidráulica para la operación de varios componentes de su equipamiento. Por ejemplo, la pala de una niveladora es accionada normalmente por energía hidráulica. Durante el período precedente a la Segunda Guerra Mundial la marina de guerra comenzó a aplicar la hidráulica a los mecanismos navales extensivamente. Desde entonces, los usos navales han aumentado al punto donde muchos dispositivos hidráulicos ingeniosos se utilizan en la solución de problemas de artillería, de aeronáutica, y de navegación. A bordo de la nave, se utiliza la transmisión hidráulica para operar equipos tales como el guinche de ancla, las grúas, dirección, dispositivos teledirigidos, y los impulsores hidráulicos de elevación y de entrenamiento para el armamento y los lanzacohetes. Los elevadores en portaaviones utilizan potencia hidráulica para transferir los aviones de la cubierta de hangar a la cubierta de vuelo y viceversa.

El uso extenso de la hidráulica y de la neumática para transmitir energía es debido al hecho de que los sistemas fluidos correctamente construidos poseen un número

de características favorables. Eliminan la necesidad de sistemas complicados de engranajes, de levas, y de palancas. El movimiento se puede transmitir sin la holgura inherente en el uso de las piezas sólidas de máquina. Los líquidos usados no están sujetos a roturas al igual que las piezas mecánicas, y los mecanismos no se están expuestos a un gran desgaste. Las diversas piezas de un sistema de energía fluido se pueden situar convenientemente en puntos muy distanciados, puesto que las fuerzas generadas se transmiten rápidamente a distancias considerables con pequeñas pérdidas. Estas fuerzas se pueden desplazar hacia arriba y hacia abajo o a través de codos con pequeñas pérdidas en eficacia y sin mecanismos complicados. Fuerzas muy grandes se pueden controlar por otras más pequeñas y se pueden transmitir a través de líneas y de orificios comparativamente pequeños.

Si el sistema se adapta bien al trabajo que se requiere realizar, y si no se emplea mal, puede proporcionar una acción continua, flexible, uniforme y sin vibraciones, y no es afectado por variaciones de la carga. En caso de una sobrecarga, una reducción automática de la presión puede ser garantizada, de manera de proteger el sistema contra averías o tensiones excesivas. Los sistemas de potencia mediante fluidos pueden proporcionar amplios movimientos variables, tanto en la transmisión de energía rotatoria como en forma rectilínea. La necesidad del control manual puede ser reducida al mínimo. Además, los sistemas de potencia fluida son económicos para operar.

La pregunta que puede presentarse es porqué usar la hidráulica en ciertos usos y neumática en otros. Muchos factores son considerados por el usuario y/o el fabricante al determinar qué tipo de sistema utilizar en un uso específico. No hay reglas claras e inmediatas a seguir; sin embargo, la experiencia pasada ha proporcionado algunas conclusiones que se consideran generalmente cuando se toman tales decisiones. Si la necesidad del sistema requiere velocidad, una cantidad media de presión, y solamente un control relativamente exacto, un sistema neumático puede ser utilizado. Si el uso requiere solamente una cantidad media de presión y de un control más preciso, una combinación de hidráulica y de neumática puede ser utilizada. Si el uso requiere una gran cantidad de presión y/o control extremadamente exacto, un sistema hidráulico deberá ser le opción a elegir.

La hidráulica y la neumática se combinan para algunos usos. Esta combinación se refiere como hidroneumática. Un ejemplo de esta combinación es la elevación usada en garajes y estaciones de gasolina. La presión de aire se aplica a la superficie del fluido hidráulico en un depósito. La presión de aire fuerza el líquido hidráulico a levantar el elevador.

Dentro de las aplicaciones se pueden distinguir dos, móviles e industriales:

Aplicaciones Móviles

El empleo de la energía proporcionada por el aire y aceite a presión, puede aplicarse para transportar, excavar, levantar, perforar, manipular materiales, controlar e impulsar vehículos móviles tales como:

Tractores Grúas Retroexcavadoras Camiones recolectores de basura Cargadores frontales Frenos y suspensiones de camiones Vehículos para la construcción y mantención de carreteras Etc.

Aplicaciones Industriales

En la industria, es de primera importancia contar con maquinaria especializada para controlar, impulsar, posicionar y mecanizar elementos o materiales propios de la línea de producción, para estos efectos se utiliza con regularidad la energía proporcionada por fluidos comprimidos. Se tiene entre otros:

Maquinaria para la industria plástica Máquinas herramientas Maquinaria para la elaboración de alimentos Equipamiento para robótica y manipulación automatizada Equipo para montaje industrial Maquinaria para la minería Maquinaria para la industria siderúrgica Etc.

Otras aplicaciones se pueden dar en sistemas propios de vehículos automotores, como automóviles, aplicaciones aerospaciales y aplicaciones navales, por otro lado se pueden tener aplicaciones en el campo de la medicina y en general en todas aquellas áreas en que se requiere movimientos muy controlados y de alta precisión, así se tiene:

Aplicación automotriz: suspensión, frenos, dirección, refrigeración, etc. Aplicación Aeronáutica: timones, alerones, trenes de aterrizaje, frenos,

simuladores, equipos de mantenimiento aeronáutico, etc. Aplicación Naval: timón, mecanismos de transmisión, sistemas de mandos,

sistemas especializados de embarcaciones o buques militares Medicina: Instrumental quirúrgico, mesas de operaciones, camas de hospital,

sillas e instrumental odontológico, etc.

La hidráulica y neumática tienen aplicaciones tan variadas, que pueden ser empleadas incluso en controles escénicos (teatro), cinematografía, parques de entretenciones, represas, puentes levadizos, plataformas de perforación submarina, ascensores, mesas de levante de automóviles, etc.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA HIDRAULICA Y NEUMATICA

Los sistemas de transmisión de energía oleohidráulicos y neumáticos son una garantía de seguridad, calidad y fiabilidad a la vez que reducen costos.

La flexibilidad extrema de los elementos de potencia fluida presenta un número de problemas a tener en cuenta. Puesto que los fluidos no tienen ninguna forma propia, éstos deben ser confinados seguramente a lo largo de todo el sistema. Consideraciones especiales se deben dar a la integridad estructural de las partes de un sistema de potencia fluido. El sistema deberá estar compuesto por cañerías y envases resistentes. Las pérdidas deberán ser evitadas. Esto es un problema grave con la alta presión obtenida en muchas instalaciones de potencia fluida.

La operación del sistema implica el movimiento constante del líquido dentro de las líneas y de los componentes. Este movimiento causa fricción dentro del líquido mismo y contra las superficies que lo contienen que, si son excesivas, pueden llevar a las pérdidas serias en eficiencia. No se debe permitir que materiales extraños se acumulen en el sistema, donde éstos pueden taponar los pequeños pasos o trabar piezas con ensamble muy preciso. La acción química puede causar la corrosión. Cualquier persona que trabaje con sistemas de potencia fluida debe saber cómo funciona dichos sistema y sus componentes, tanto en términos de principios generales comunes a todos los mecanismos físicos, así como las particularidades del dispositivo actual en uso. .

La Seguridad es de vital importancia en la navegación aérea y espacial, en la producción y funcionamiento de vehículos, en la minería y en la fabricación de productos frágiles. Por ejemplo, los sistemas oleohidráulicos y neumáticos se utilizan para asistir la dirección y el frenado de coches, camiones y autobuses. Los sistemas de control oleohidráulico y el tren de aterrizaje son los responsables de la seguridad en el despegue, aterrizaje y vuelo de aviones y naves espaciales. Los rápidos avances realizados por la minería y construcción de túneles son el resultado de la aplicación de modernos sistemas oleohidráulicos y neumáticos.

La Fiabilidad y la Precisión son necesarias en una amplia gama de aplicaciones industriales en las que los usuarios exigen cada vez más una mayor calidad. Los sistemas oleohidráulicos y neumáticos utilizados en la manipulación, sistemas de fijación y robots de soldadura aseguran un rendimiento y una productividad elevados, por ejemplo, en la fabricación de automóviles.

En relación con la industria del plástico, la combinación de la oleohidráulica, la neumática y la electrónica hacen posible que la producción esté completamente automatizada, ofreciendo un nivel de calidad constante con un elevado grado de precisión.

Los sistemas neumáticos juegan un papel clave en aquellos procesos en los que la higiene y la precisión son de suma importancia, como es el caso de las instalaciones de la industria farmacéutica y alimenticia, entre otras.

La Reducción en el costo es un factor vital a la hora de asegurar la competitividad de un país industrial.

La tecnología moderna debe ser rentable y la respuesta se encuentra en los sistemas oleohidráulicos y neumáticos. Entre otros ejemplos, cabe citar el uso generalizado de estos sistemas en la industria de carretillas elevadoras controladas hidráulicamente, las máquinas herramientas de alta tecnología, así como los equipos de fabricación para procesos de producción automatizada, las modernas excavadoras, las máquinas de construcción y obras públicas y la maquinaria agrícola.

Con respecto a la manipulación de materiales y para citar unos ejemplos, los sistemas oleohidráulicos permiten que una sola persona pueda trasladar, fácil y rápidamente, grandes cantidades de arena o de carbón.

Ventajas de la Oleohidráulica

Permite trabajar con elevados niveles de fuerza o mementos de giro El aceite empleado en el sistema es fácilmente recuperable Velocidad de actuación fácilmente controlable Instalaciones compactas Protección simple contra sobrecargas Cambios rápidos de sentido

Desventajas de la Oleohidráulica

El fluido es mas caro Perdidas de carga Personal especializado para la mantención Fluido muy sensible a la contaminación.

ESTADOS DE LA MATERIA El material que compone el universo se conoce como materia. La materia se define como cualquier sustancia que ocupe el espacio y

tenga peso. La materia existe en tres estados: sólido, líquido, y gaseoso; cada uno tiene distintas características. Los sólidos tienen un volumen y una forma definidos; los líquidos tienen un volumen definido, pero toman la forma de los recipientes que los contienen; los gases no tienen ni una forma definida ni un volumen definido. Los gases no sólo toman la forma del recipiente que los contiene, sino también se expanden y llenan el recipiente, sin importar su volumen. Los ejemplos de los estados de la materia son hierro, agua, y aire.La materia puede cambiar de un estado a otro. El agua es un buen ejemplo. A temperaturas altas está en estado gaseoso conocido como vapor. A temperaturas moderadas es un líquido, y a bajas temperaturas se convierte en hielo, que es definitivamente estado sólido. En este ejemplo, la temperatura es el factor dominante en la determinación del estado que la sustancia asume. La presión es otro factor importante que afectará a cambios en los estados de la materia. A presiones inferiores a la presión atmosférica, el agua hervirá y se transformará en vapor a temperaturas menores a 212° Fahrenheit (F). La presión es también un factor crítico en el cambio de algunos gases a líquidos o sólidos. Normalmente, cuando presión y enfriamiento son aplicadas a un gas en forma simultánea, el gas se transforma en estado líquido. El aire líquido, que es una mezcla de oxígeno y de nitrógeno, se produce de este modo.

En el estudio de la potencia de los fluidos, nos referimos sobre todo a las características y propiedades de líquidos y gases. Sin embargo, usted deberá tener presente que las características de los sólidos también afectan a las características de líquidos y gases. Las líneas de tuberías y los componentes, que son sólidos, contienen y controlan el líquido o el gas en sus respectivos sistemas..

Definiciones:

Fluido: Elemento en estado líquido o gaseoso, en estas páginas utilizaremos en los sistemas neumáticos "aire comprimido y en los sistemas hidráulicos "aceites derivados de petróleo".

Fluidos Hidráulicos : Misión de un fluido en oleohidráulica

Transmitir potencia Lubricar Minimizar fugas Minimizar pérdidas de carga

Fluidos empleados

Aceites minerales procedentes de la destilación del petróleo Agua – glicol Fluidos sintéticos Emulsiones agua – aceite

Generalidades

El aceite en sistemas hidráulicos desempeña la doble función de lubricar y transmitir potencia.

Constituye un factor vital en un sistema hidráulico, y por lo tanto, debe hacerse una selección cuidadosa del aceite con la asistencia de un proveedor técnicamente bien capacitado.

Una selección adecuada del aceite asegura una vida y funcionamiento satisfactorios de los componentes del sistema, principalmente de las bombas y motores hidráulicos y en general de los actuadores.

Algunos de los factores especialmente importantes en la selección del aceite para el uso en un sistema hidráulico industrial, son los siguientes:

1. El aceite debe contener aditivos que permitan asegurar una buena característica anti desgaste. No todos los aceites presentan estas características de manera notoria.

2. El aceite debe tener una viscosidad adecuada para mantener las características de lubricante y limitante de fugas a la temperatura esperada de trabajo del sistema hidráulico.

3. El aceite debe ser inhibidor de oxidación y corrosión. 4. El aceite debe presentar características antiespumantes.

Para obtener una óptima vida de funcionamiento, tanto del aceite como del sistema hidráulico; se recomienda una temperatura máxima de trabajo de 65ºC.

El estudio de los líquidos se divide en dos ramas principales: líquidos en reposo (hidrostática) y líquidos en el movimiento (hidráulica). Los efectos de líquidos en reposo se pueden expresar a menudo por fórmulas simples. Los efectos de los líquidos en el movimiento son más difíciles expresar debido a los factores friccionales y otros cuyas acciones no se pueden expresar por matemáticas simples.

Ya vimos que los líquidos tienen un volumen definido pero toman la forma del recipiente que los contiene. Hay dos características adicionales que debemos explorar antes de proseguir:

Los líquidos son casi incompresibles. Por ejemplo, si una presión de 100 libras por la pulgada cuadrada (psi) se aplica a un volumen dado de agua que esté a la presión atmosférica, el volumen disminuirá solamente un 0.03 por ciento. Necesitaríamos una fuerza de aproximadamente 32 toneladas para reducir su volumen en un 10 por ciento; sin embargo, cuando se quita esta fuerza, el agua vuelve inmediatamente a su volumen original. Otros líquidos se comportan de manera casi parecida al agua.

Otra característica de un líquido es la tendencia a mantener su nivel superficial libremente. Si la superficie no está a nivel, los líquidos fluirán en la dirección que corresponda tendiendo a nivelar su superficie. Ampliar ...

FLUIDOS HIDRÁULICOS

Durante el diseño de equipamiento que requiera potencia fluida, muchos factores son considerados en la selección del tipo de sistema a ser usado (hidráulico, neumático, o de una combinación de los dos). Algunos de los factores son velocidad requerida y exactitud de la operación, condiciones atmosféricas en los alrededores, situaciones económicas, disponibilidad del líquido de reemplazo, nivel requerido de la presión, gama de temperaturas de funcionamiento, posibilidades de contaminación, coste de líneas de transmisión, limitaciones del equipo, lubricidad, seguridad a los operarios, y vida de servicio prevista del equipo.

Después de que el tipo de sistema se haya seleccionado, muchos de estos mismos factores deben ser considerados en la selección del fluido para el funcionamiento del sistema. Veamos a continuación las propiedades y las características deseadas de líquidos hidráulicos; tipos de líquidos hidráulicos; peligros y medidas de seguridad para de trabajo, manejo, y disposición de líquidos hidráulicos; tipos y control de contaminación; y muestreo

PROPIEDADES

Si la fluidez (la característica física de una sustancia que le permite fluir) y la incompresibilidad eran las únicas características requeridas, cualquier líquido no muy denso se podría utilizar en un sistema hidráulico.

Sin embargo, un líquido satisfactorio para un sistema particular debe poseer un número de otras propiedades. Las propiedades más importantes y algunas características se discuten en los párrafos siguientes

VISCOSIDAD

La viscosidad es una de las características más importantes de los líquidos hidráulicos. Es una medida de la resistencia de un líquido al flujo. Un líquido, tal como gasolina, que fluye fácilmente tiene una viscosidad baja; y un líquido, tal como alquitrán, que fluye lentamente tiene una gran viscosidad. La viscosidad de un líquido es afectada por los cambios en temperatura y la presión.

Mientras que la temperatura de un líquido aumenta, su viscosidad disminuye. Es decir, un líquido fluye más fácilmente cuando está caliente que cuando está frío. La viscosidad de un líquido se incrementa a medida que la presión sobre el mismo sube.

Un líquido satisfactorio para un sistema hidráulico debe ser lo suficientemente denso para proporcionar un buen sello en las bombas, motores, válvulas, y así sucesivamente. Estos componentes dependen de un estrecho encastre para crear y mantener la presión. Cualquier fuga interna a través de estos encastres da lugar a pérdidas de presión, de control instantáneo, y de eficacia de la bomba.

Las pérdidas por filtraciones son mayores con líquidos más livianos (viscosidad baja). Un líquido que es demasiado liviano también permitirá un rápido desgaste de piezas móviles, o de las piezas que funcionan bajo cargas pesadas. Por otra parte, si el líquido es demasiado espeso (viscosidad demasiado elevada), la fricción interna del líquido causará un aumento en la resistencia al flujo del líquido a través de las separaciones de piezas con ajuste estrecho, de líneas, y de pasos internos. Esto da lugar a caídas de presión a través de todo el sistema, lentitud de operación del equipo, y un aumento en el consumo de energía.

PODER LUBRICANTE

Si el movimiento ocurre entre superficies en contacto, la fricción tiende a oponerse al movimiento.

Cuando la presión empuja el líquido de un sistema hidráulico entre las superficies de piezas móviles, el líquido se extiende en una fina película que permite a las piezas moverse más libremente. Diversos líquidos, incluyendo los aceites, varían ampliamente no sólo en su capacidad de lubricación sino también en la resistencia de la película. La resistencia de película es la capacidad de un líquido a resistir de ser limpiado o ser escurrido entre las superficies cuando se dispersa en una capa extremadamente delgada. Un líquido no lubricará más si la película se rompe, puesto que el movimiento de una parte contra otra parte barre el metal limpiando el líquido.

El poder lubricante varía con los cambios de temperatura; por lo tanto, las condiciones climáticas y de trabajo deben entrar en la determinación de las calidades de lubricación de un líquido. A diferencia de la viscosidad, que es una característica física, el poder lubricante y resistencia de la película de un líquido están directamente relacionados con su naturaleza química. Las cualidades de

lubricación y de resistencia de la película se pueden mejorar mediante la adición de ciertos agentes químicos.

ESTABILIDAD QUÍMICA

La estabilidad química es otra característica que es excesivamente importante en la selección de un líquido hidráulico. Se define como la capacidad del líquido de resistir la oxidación y el deterioro por largos períodos. Todos los líquidos tienden a experimentar cambios desfavorables bajo condiciones de funcionamiento severas. Esto es el caso, por ejemplo, cuando un sistema funciona por un considerable periodo de tiempo a elevadas temperaturas.

Las temperaturas excesivas, especialmente extremadamente altas temperaturas, tienen un gran efecto sobre la vida de un líquido. La temperatura del líquido en el depósito de un sistema hidráulico, no siempre indica las condiciones de funcionamiento a lo largo del sistema. Puntos calientes localizados ocurren en los cojinetes, dientes de engranaje, o en otros puntos donde el líquido bajo presión es forzado a pasar través de pequeños orificios. El paso continuo del líquido a través de estos puntos puede producir temperaturas locales suficientemente altas como para carbonizar el líquido o para convertirlo en sedimento, y a la vez el líquido en el depósito puede no indicar una temperatura excesivamente alta.

Los líquidos se pueden contaminar si están expuestos al aire, al agua, a la sal, o a otras impurezas, especialmente si están en el movimiento constante o se sujetan al calor. Algunos metales, tales como cinc, plomo, latón, y cobre, tienen reacciones químicas indeseables con ciertos líquidos.

Estas reacciones químicas dan lugar a la formación de lodo, gomas, carbón, u otros depósitos que obstruyen aberturas, y hacen que válvulas y pistones se peguen o produzcan pérdidas, dando una lubricación pobre a las piezas móviles. Una vez que una pequeña cantidad de lodo o de otros depósitos se forma, el índice de formación aumenta generalmente más rápidamente. Mientras que se forman estos depósitos, ciertos cambios en las características físicas y químicas del líquido ocurren. El líquido llega a ser generalmente más oscuro, la viscosidad aumenta y se forman ácidos perjudiciales.

El grado al cual los cambios ocurren en diversos líquidos depende del tipo de fluido, tipo de refinamiento, y si el mismo se ha tratado para proporcionar mayor resistencia a la oxidación. La estabilidad de líquidos se puede mejorar mediante la adición de inhibidores de oxidación. Los inhibidores seleccionados para mejorar la estabilidad deben ser compatibles con las otras características requeridas del líquido.

GRADO DE ACIDEZ

Un líquido hidráulico ideal debe estar libre de los ácidos que causan la corrosión de los metales en el sistema. En la mayoría de los líquidos no se puede esperar que éstos sigan siendo no corrosivos bajo condiciones de funcionamiento severas. El grado de acidez de un líquido, cuando es nuevo, puede ser satisfactorio; pero por el uso posterior, el líquido puede tender a llegar a ser corrosivo mientras que comienza a deteriorar.

Muchos sistemas quedan parados por largos periodos de tiempo después de funcionar a temperaturas altas. Esto permite que la humedad se condense en el sistema, dando por resultado la formación de herrumbre.

Ciertos aditivos para evitar la corrosión y el óxido se agregan a los líquidos hidráulicos. Algunos de estos aditivos son eficaces solamente por un período limitado. Por lo tanto, el mejor procedimiento es utilizar el líquido especificado para el sistema, durante el tiempo especificado por el fabricante del sistema y proteger el líquido y el sistema tanto como sea posible contra la contaminación por material extraño, contra temperaturas anormales, y contra el uso erróneo.

PUNTO DE INFLAMACIÓN

El punto de inflamación es la temperatura a la cual un líquido emite vapor en suficiente cantidad para encender momentáneamente o para producir un destello cuando una llama es aplicada. Un alto punto de inflamación es deseable para los líquidos hidráulicos porque así se proporciona una buena resistencia a la combustión y un grado bajo de evaporación a temperaturas normales. Los mínimos requeridos del punto de inflamación varían desde 300°F para los aceites más livianos a 510°F para los aceites más pesados

PUNTO DE IGNICIÓN

El punto de ignición es la temperatura en la cual una sustancia emite el vapor en suficiente cantidad para encenderse y para continuar quemándose cuando está expuesta a una chispa o a una llama. Como el punto de inflamación, un alto punto de ignición es deseable en los líquidos hidráulicos.

TOXICIDAD MÍNIMA

La toxicidad se define como la calidad, el estado, o el grado tóxico o venenoso. Algunos líquidos contienen productos químicos que son un peligro tóxico serio. Estos productos químicos tóxicos o venenosos pueden ingresar al cuerpo por inhalación, por absorción a través de la piel, o a través de los ojos o de la boca. El resultado es una enfermedad y, en algunos casos, la muerte.

Los fabricantes de líquidos hidráulicos se esfuerzan por producir líquidos adecuados que no contengan ningún producto químico tóxico y, consecuentemente, la mayoría de los líquidos hidráulicos están libres de estos productos químicos riesgosos. Algunos líquidos resistentes al fuego son tóxicos, y la protección y el cuidado conveniente en la manipulación de los mismos deben ser informados al usuario.

DENSIDAD Y COMPRESIBILIDAD

Un líquido con una gravedad específica de menos de 1.0 es deseable cuando el peso es crítico, aunque con un diseño de sistema apropiado, un líquido con una gravedad específica mayor que uno puede ser tolerado. Donde la evasión en la detección por unidades militares sea necesaria, un líquido que se hunda en vez de subir a la superficie del agua es preferible. Los fluidos que tengan una gravedad específica mayor de 1.0 son los más indicados, dado que al escaparse el líquido, éste se hundirá, permitiendo que el recipiente con la pérdida siga siendo desapercibido.

Vimos que bajo presión extrema un líquido se puede comprimir hasta 7 por ciento de su volumen original. Los fluidos altamente compresibles producen una operación lenta del sistema. Esto no presenta un problema grave en operaciones pequeñas, de baja velocidad, pero debe ser considerado en las instrucciones de manejo.

TENDENCIA A PRODUCIR ESPUMA

La espuma es una emulsión de burbujas de gas en el líquido. La espuma en un sistema hidráulico resulta de los gases comprimidos en el líquido hidráulico. Un líquido bajo alta presión puede contener un gran volumen de burbujas de aire. Cuando se despresuriza este líquido, y luego alcanza el depósito, las burbujas de gas en el fluido crecen y producen espuma. Cualquier cantidad de espuma puede causar cavitación de la bomba y producir una pobre respuesta del sistema. Por lo tanto, agentes despumantes se agregan a menudo a los líquidos para evitar la formación de espuma.

La limpieza en sistemas hidráulicos ha recibido la considerable atención recientemente. Algunos sistemas hidráulicos, tales como sistemas hidráulicos aeroespaciales, son extremadamente sensibles a la contaminación. La limpieza del fluido es de importancia primaria porque los contaminantes pueden causar el malfuncionamiento de los componentes, evitar el cierre apropiado de las válvulas, causar desgaste en componentes, y puede aumentar el tiempo de reacción de servoválvulas.

LIMPIEZA

El interior de un sistema hidráulico sólo se puede mantener tan limpio como el líquido agregado al mismo. La limpieza inicial del líquido hidráulico puede ser alcanzada observando rigurosos requisitos de limpieza, o filtrando todo el líquido agregado al sistema.

TIPOS DE LÍQUIDOS HIDRÁULICOS

Ha habido muchos líquidos probados para el uso en sistemas hidráulicos. Actualmente, los líquidos que son utilizados incluyen el aceite mineral, el agua, el ester de fosfato, compuestos a base de agua de glicol de etileno, y los fluidos de silicona. Los tres tipos más comunes de líquidos hidráulicos son a base de petróleo, sintéticos resistentes al fuego, y a base de agua resistentes al fuego

Sistema de transmisión de energía Neumática e Hidráulica.

Es un sistema en el cual se genera, transmite y controla la aplicación de potencia a través del aire comprimido y la circulación de aceite en un circuito. El sistema puede dividirse en tres grandes grupos que observamos en el diagrama de bloques de la figura 1.1.

Comenzando desde la izquierda de] diagrama, la primera sección corresponde a la

conversión de Energía Eléctrica y/o Mecánica en un sistema de energía Neumática ylo Hidráulica.

Un motor eléctrico, de explosión o de otra naturaleza está vinculado a una bomba o compresor, a cuya salida se obtiene un cierto caudal a una determinada presión. 

En la parte central del diagrama, el fluido es conducido a través de tubería al lugar de utilización.

A la derecha en el diagrama, el aire comprimido o el aceite en movimiento produce una reconversión en Energía mecánica mediante su acción sobre un cilindro o un motor neumático o hidráulico. Con las válvulas se controla la dirección del movimiento, la velocidad y el nivel de potencia a la salida del motor o cilindro.

Leyes físicas relativas a los fluidos.

Hay infinidad de leyes físicas relativas al comportamiento de los fluidos, muchas de ellas son utilizadas con propósitos científicos o de experimentación, nosotros nos limitaremos a estudiar aquellas que tienen aplicación practica en nuestro trabajo.

Conceptos de Presión y Fuerza

PRESIÓN Y FUERZA

Los términos fuerza y presión se utilizan extensivamente en el estudio de la potencia fluida. Es esencial que distingamos la diferencia entre los términos. La fuerza significa un empuje o una tracción total. Es el empuje o la tracción ejercida contra la superficie total de una superficie particular y se expresa en libras o gramos. La presión significa la cantidad de empuje o de tracción (fuerza) aplicado a cada área de unidad de la superficie y se expresa en libras por la pulgada cuadrada (lb/in2) o gramos por el centímetro cuadrado (gm/cm2). La presión puede ser ejercida en una dirección, en varias direcciones, o en todas las direcciones.

Calculando fuerza, presión, y área

Una fórmula se utiliza para el cálculo de fuerza, la presión, y el área en los sistemas de potencia fluida. En esta fórmula, P refiere a la presión, F indica la fuerza, y A representa el área. La fuerza es igual a la cantidad de presión ejercida sobre un área. Así, se escribe la fórmula

La presión es igual a la fuerza dividida por el área. Cambiando la fórmula, esta declaración se puede resumir en :

Puesto que el área es igual a la fuerza dividida por la presión, se escribe la fórmula

Fig1 : Dispositivo para determinar las fórmulas de fuerza, presión, y área.

La fig. 1 arriba, ilustra un triángulo de memoria para recordar las diversas variaciones de esta fórmula. Cualquier letra en el triángulo se puede expresar como el producto o el cociente de los otros dos, dependiendo en su posición dentro del triángulo. Por ejemplo, para encontrar área, considere la letra A como calculada a sí misma, seguida por un signo de igualdad. Ahora mire las otras dos letras. La letra F está sobre la letra P; por lo tanto,

NOTA: El área no se puede expresar a veces en unidades cuadradas. Si la superficie es rectangular, usted puede determinar su área multiplicando su longitud (por ejemplo, en pulgadas) por su anchura (también en pulgadas). La mayoría de áreas que usted considerará en estos cálculos son circulares en forma.

El radio o el diámetro puede ser dado, pero usted debe saber el radio en pulgadas para encontrar el área. El radio es la mitad del diámetro. Para determinar el área, utilice la fórmula para encontrar el área de un círculo. Se escribe esto como A = πr2,   donde A es el área , π es 3.1416 (3.14 ó 3 1/7 para la mayoría de los cálculos), y r2 indica el radio al cuadrado.

Presión atmosférica

La atmósfera es toda la masa de aire que rodea la tierra. Mientras que la misma se extiende hacia arriba cerca de 500 millas, la sección de interés primario es la porción que se encuentra próxima a la superficie de tierra y que se extiende 7 ½ millas hacia arriba. Esta capa se llama la troposfera. Si una columna de aire de 1 pulgada cuadrada que se extienda hasta la parte superior de la atmósfera pudiera

ser pesada, dicha columna pesaría aproximadamente 14.7 libras en el nivel del mar. Así, la presión atmosférica en el nivel del mar es aproximadamente 14.7 psi.

A medida que uno asciende, la presión atmosférica disminuye en aproximadamente 1.0 psi por cada 2.343 pies. Sin embargo, debajo del nivel del mar, en excavaciones y depresiones, la presión atmosférica aumenta. Las presiones debajo del agua se diferencian de aquellas debajo del aire solamente porque el peso del agua se debe agregar a la presión del aire.

La presión atmosférica se puede medir por varios métodos. El laboratorio común el método utiliza el barómetro de columna del mercurio. La altura de la columna del mercurio sirve como indicador de la presión atmosférica. En el nivel del mar y a una temperatura de 0° Celsius (C), la altura de la columna del mercurio es aproximadamente 30 pulgadas, o 76 centímetros. Esto representa una presión de aproximadamente 14.7 psi. La columna de 30 pulgadas se utiliza como estándar de referencia.

Otro dispositivo usado para medir la presión atmosférica es el barómetro aneroide. El barómetro aneroide utiliza el cambio de forma de una célula al vacío de metal, para medir variaciones en la presión atmosférica. El fino metal de la célula aneroide se mueve hacia adentro o hacia fuera con la variación de la presión sobre su superficie externa. Este movimiento se transmite a través de un sistema de palancas a un indicador, que indica la presión.

La presión atmosférica no varía uniformemente con la altitud. Cambia más rápidamente en altitudes más bajas debido a la compresibilidad del aire, que causa que las capas del aire cercanas a la superficie de la tierra se compriman por las masas de aire superiores. Este efecto, sin embargo, está parcialmente contrarrestado por la contracción de las capas superiores debido al enfriamiento. El enfriamiento tiende a aumentar la densidad del aire.

Las presiones atmosféricas son muy grandes, pero en la mayoría de los casos prácticamente la misma presión está presente en todos los lados de los objetos, de manera que ninguna superficie está sujeta a una gran carga.

Fig. : Transmisión de fuerza: (A) sólido; (B) líquido

La presión atmosférica que actúa en la superficie de un líquido ( A en la figura superior ) se transmite igualmente a través del líquido y de éste a las paredes del envase, pero es balanceada por la misma presión atmosférica que actúa en las paredes externas del envase. En la vista B del cuadro, la presión atmosférica que actúa en la superficie de un pistón es balanceada por la misma presión que actúa en la superficie del otro pistón. Las diferentes áreas de las dos superficies no se diferencian, puesto que por cada unidad de área, las presiones son balanceadas.

TRANSMISIÓN DE FUERZAS A TRAVÉS DE LÍQUIDOS

Fig.:Efectos de la presión atmosférica.

Cuando el extremo de una barra sólida se golpea, la fuerza del golpe se traslada directamente a través de la barra al otro extremo (fig. A arriba). Esto sucede porque la barra es rígida. La dirección del golpe determina casi enteramente la dirección de la fuerza transmitida. Cuanto más rígida la barra, menos fuerza se pierde dentro de la barra o se transmite perpendicularmente hacia fuera de la dirección del golpe.

Cuando una fuerza se aplica al extremo de una columna del líquido confinado (fig. B arriba), la misma es transmitida directamente al otro extremo, y a la vez igualmente, en cada dirección sin pérdidas a través de la columna – hacia adelante, atrás, y hacia los costados – de manera que el recipiente que contiene el fluido está literalmente lleno de presión.

Un ejemplo de esta distribución de fuerza se ilustra en la figura siguiente. La manguera plana adquiere una sección representativa circular cuando se llena de agua bajo presión. El empuje exterior del agua es igual en cada dirección.

Fig. : Distribución de fuerza.

La vasta diferencia en la manera en que la fuerza es transmitida a través de líquidos confinados, comparada con los cuerpos sólidos, es debida a las características de los fluidos, forma y compresibilidad. Los líquidos no tienen forma definida, los mismos se adaptan rápidamente a la forma del contenedor. Debido a estas características el cuerpo completo del fluido confinado tiende a moverse fuera del punto de la fuerza inicial en todas las direcciones hasta que sea parado con algo sólido como por ejemplo las paredes del contenedor. Los líquidos son relativamente incompresibles, o sea, los mismos pueden sólo ser comprimidos en aproximadamente 1% de su volumen. Debido a que los líquidos carecen de forma propia y son incompresibles, una fuerza aplicada transmitida a través del cuerpo de un líquido confinado en un contenedor rígido resulta en una compresión que no es mayor de la que se daría si se tratara de un metal sólido.

Movimiento del fluido bajo presión. La fuerza aplicada a un líquido confinado puede hacer que el líquido se mueva sólo cuando dicha fuerza exceda cualquier otra fuerza actuando sobre el líquido en una dirección opuesta. El desplazamiento del fluido es siempre en la dirección de la menor presión. Si las fuerzas son iguales, ningún movimiento tiene lugar.

El fluido bajo presión puede moverse dentro de contenedores ya llenos sólo si una cantidad igual o mayor se desplaza simultáneamente fuera de los mismos. Este es un principio obvio y simple, pero uno que es fácilmente sobrepasado.

Efectos de la temperatura sobre los líquidos. Como en los metales, los cambios de temperatura producen cambios en el tamaño del cuerpo de un líquido. Con la excepción del agua, en cualquier caso en que la temperatura de un cuerpo de líquido cae, una disminución (contracción) en el tamaño del cuerpo del fluido tiene lugar. La cantidad de contracción es ligera y tiene lugar en proporción directa con el cambio de temperatura.

Cuando la temperatura se eleva, el cuerpo de líquido se expande. Esto se conoce como “expansión térmica”. La cantidad de expansión está en directa proporción con la elevación de temperatura. A pesar de que el régimen de expansión es relativamente pequeño, el mismo es importante; alguna previsión es usualmente necesaria en un sistema hidráulico para acomodar el incremento del tamaño del cuerpo de líquido cuando una elevación de temperatura ocurre.

Ley de Pascal.

La ley más elemental de la física referida a la hidráulica y neumática fue descubierta y formulada por Blas Pascal en 1653 y denominada Ley de Pascal, que dice: 

"La presión existente en un líquido confinado actúa igualmente en todas direcciones, y lo hace formando ángulos rectos con la superficie del recipiente".

La presión en un líquido sólo depende de la profundidad, cualquier incremento de presión en la superficie debe transmitirse a cada punto en el fluido. Esto lo reconoció por primera vez el científico francés Blaise Pascal y se conoce como Ley de Pascal. La figura 1-2 ilustra la Ley de Pascal. El fluido confinado en la sección de una tubería ejerce igual fuerza en todas direcciones, y perpendicularmente a las paredes. 

La figura 1-3 muestra la sección transversal de un recipiente de forma irregular, que tiene paredes rígidas El fluido confinado en el ejerce la misma presión en todas las direcciones, tal como lo indican las flechas. Si las paredes fueran flexibles, la sección asumiría forma circular. Es entonces la Ley de Pascal que hace que una

manguera contra incendios asuma forma cilíndrica cuando es conectada al suministro. Es importante la diferencia entre cómo actúa la fuerza sobre un fluido y cómo lo hace sobre un sólido. Puesto que el sólido es un cuerpo rígido, puede soportar que se le aplique una fuerza sin que cambie apreciablemente su forma. Por otra parte, un líquido puede soportar una fuerzaúnicamente en una superficie o frontera cerrada.

Nota que la fuerza que ejerce un fluido sobre las paredes del recipiente que lo contiene siempre actúa en forma perpendicular a esas paredes.Ésta es una característica propia de los fluidos que hace que el concepto de presión sea muy útil. Si se perforan agujeros a los lados y al fondo de un barril con agua, se demuestra que la fuerza ejercida por el agua es en cualquier parte perpendicular a la superficie del barril.

Cualquier persona que haya tratado de mantener una balsa por debajo de la superficie del agua se convence de inmediato de la existencia de una presión hacia arriba. En realidad nos damos cuenta que: Los fluidos ejercen presión en todas direcciones.

Aplicación de la Ley de Pascal por Bramah

En los primeros años de la Revolución Industrial, un mecánico de origen británico llamado Joseph Bramah, utilizó el descubrimiento de Pascal y por ende el llamado Principio de Pascal para fabricar una prensa hidráulica.

Bramah pensó que si una pequeña fuerza, actuaba sobre un área pequeña, ésta crearía una fuerza proporcionalmente mas grande sobre una superficie mayor, el único límite a la fuerza que puede ejercer una máquina, es el área a la cual se aplica la presión.

Esto se puede apreciar en el siguiente ejemplo

¿Qué fuerza F1 se requiere para mover una carga K de 10.000 kg?

Considerar los datos del dibujo.

Como: p = F/A

A2 = 10 cm²; K = 10.000 kgf

p2 = 10.000 kgf/ 10 cm² => p2 = 1.000 kgf/cm²

Como en un circuito cerrado, de acuerdo al principio de Pascal, la presión es igual en todas direcciones normales a las superficies de medición, se puede decir que la presión aplicada al área 2 es igual que la aplicada al área 1

p1 = p2

F1 = 1.000 kgf/cm² x 5 cm² => F1 = 5.000 kgf

F = p x A

De esto se concluye que el área es inversamente proporcional a la presión y directamente proporcional a la fuerza.

Para el ejemplo se tiene que el equilibrio se logra aplicando una fuerza menor que el peso ya que el área es menor que la que soporta el peso.

Un claro ejemplo de esto son las gatas hidráulicas.

Ley Boyle

La relación básica entre la presión de un gas y su volumen esta expresada en la Ley de Boyle que establece: 

"La presión absoluta de un gas confinado en un recipiente varia en forma inversa a su volumen, cuando la temperatura permanece constante."

Para la resolución de problemas, la Ley de Boyle se escribe de la siguiente forma:

En estas formulas, P1 y V1 son la presión y volumen inicial de un gas, y P2 y V2  la presión y volumen después de que el gas haya  sido comprimido o expandido.

Importante : Para aplicar esta formula es necesario emplear valores de presión "absoluta" y no manométrica..

La presión absoluta es la presión que ejerce el aire atmosférico que es igual a 1,033 Kp /cm² = 1 atmósfera (kilogramo fuerza por centímetro cuadrado).

Las tres figuras ejemplifican la ley de Boyle. En la figura 1-4 A, 40 cm³ de gas están contenidas en un recipiente cerrado a una presión  P. En la figura 1-4B el pistón se ha movido reduciendo el volumen a 20 cm³, provocando un incremento de la presión 2P.

En la figura 1-4 C el pistón a comprimido el gas a 10 cm³ , provocando un incremento de cuatro veces la presión original 4P.

Existe entonces una relación inversamente proporcional entre el volumen y la presión de un gas siempre que la temperatura se mantenga constante, y que las lecturas de presión sean "absolutas" es decir referidas al vacío perfecto.

La Ley de Boyle, describe el comportamiento de un gas llamado "perfecto". El aire comprimido se comporta en forma similar a la ley de un gas perfecto a presiones menores de 70 Kg/cm² y los cálculos empleando la Ley de Boyle ofrecen resultados aceptables. No ocurre lo mismo con ciertos gases, particularmente de la familia de los hidrocarburos como el propano y etileno.

Cálculo.

Partiendo con 40 cm³ de gas confinado a una presión manométrica de 3 Kg/cm² , fig. 1-5 A, cual será la presión final después de que el gas haya sido comprimido a un volumen cuatro veces menor ? .

Primero convertiremos la presión manométrica en absoluta: 3 + 1,033 = 4,033 Kp/cm².

A continuación aplicaremos la ley de Boyle:  Sí el volumen se redujo a 1/4, la presión se habrá multiplicado por 4 es decir: 4,033 x 4 = 16,132 Kp/cm² (absoluta).

Finalmente convertiremos esta lectura absoluta en manométrica:

16,132 - 1,033 = 15,099 Kp/cm²

Ley de Charles.

Esta ley define la relación existente entre la temperatura de un gas y su volumen o presión o ambas.

Esta ley muy importante es utilizada principalmente por matemáticos y científicos, y su campo de aplicación es reducido en la practica diaria. La ley establece que :

"Si la temperatura de un gas se incrementa su volumen se incrementa en la misma proporción, permaneciendo su presión constante, o si la temperatura del gas se incrementa, se incrementa también su presión en la misma proporción, cuando permanece el volumen constante."

Para la solución de problemas deben emplearse valores de presión y temperatura "absolutos".

El efecto de la temperatura en los fluidos.

Es bien conocido el efecto de expansión de líquidos y gases por aumento de la temperatura. La relación entre la temperatura, volumen y presión de un gas podemos calcularla por la ley de Charles.

La expansión del aceite hidráulico en un recipiente cerrado es un problema en ciertas condiciones por ejemplo un cilindro hidráulico lleno de aceite en una de sus cámaras y desconectado mediante acoplamientos rápidos de la línea de alimentación, no presenta lugar para una expansión cuando es expuesto al calor.

La presión interna puede alcanzar valores de 350 Kg/cm² y aun 1.400 Kg/cm² dependiendo del incremento de temperatura y características del cilindro

Compresibilidad de los Fluidos.

Todos los materiales en estado gaseoso, liquido o sólido son compresibles en mayor o menor grado. Para las aplicaciones hidráulicas usuales el aceite hidráulico es considerado incompresible, si bien cuando una fuerza es aplicada la reducción de volumen será de 1/2 % por cada 70 Kg/cm² de presión interna en el seno del fluido.

De la misma forma que los diseñadores de estructuras deben tener en cuenta el comportamiento del acero a la compresión y elongación , el diseñado hidráulico en muchas instancias debe tener en cuenta la compresibilidad de los líquidos, podemos citar como ejemplo, la rigidez en un servomecanismo, o el calculo del volumen de descompresión de una prensa hidráulica para prevenir el golpe de ariete.

Transmisión de Potencia

La figura 1-7 muestra el principio en el cual esta basada la transmisión de potencia en los sistemas neumáticos e hidráulicos. Una fuerza mecánica, trabajo o potencia es aplicada en el pistón A. La presión interna desarrollada en el fluido ejerciendo una fuerza de empuje en el pistón B.

Según la ley de Pascal la presión desarrollada en el fluido es igual en todos los puntos por la que la fuerza desarrollada en el pistón B es igual a la fuerza ejercida en el fluido por el pistón A, asumiendo que los diámetros de A y B son iguales.

Transmisión de Potencia a través de una tubería.

El largo cilindro de la figura 1-7, puede ser dividido en dos cilindros individuales del mismo diámetro y colocados a distancia uno de otro conectados entre si por una cañería. El mismo principio de transmisión de la fuerza puede ser aplicado, y la fuerza desarrollada en el pistón B va ser igual a la fuerza ejercida por el pistón A.

La ley de Pascal no requiere que los dos pistones de la figura 1-8 sean iguales. La figura 1-9 ilustra la versatilidad de los sistemas hidráulicos y/o neumáticos al poder ubicarse los componentes aislantes no de otro, y transmitir las fuerzas en forma inmediata a través de distancias considerables con escasas perdidas. Las transmisiones pueden llevarse a cualquier posición . 

aun doblando esquinas, pueden transmitirse a través de tuberías relativamente pequeñas con pequeñas perdidas de potencia.

La distancia L que separa la generación, pistón A, del punto de utilización pistón B, es usualmente de 1,5 a 6 metros en los sistemas hidráulicos, y de 30 a 60 metros en aire comprimido. Distancias mayores son superadas con sistemas especialmente diseñados.

Presión Hidráulica.

La presión ejercida por un fluido es medida en unidades de presión. Las unidades comúnmente utilizadas son :

La libra por pulgada cuadrada = PSI El Kilogramo por centímetro cuadrado = Kg/cm² El Kilogramo fuerza por centímetro cuadrado = Kp/cm² El bar = bar

Existiendo la siguiente relación aproximada :

Kg /cm² ~  Kp/cm²  ~ bar

En la figura 1-10A se muestra que la fuerza total aplicada al vástago de un pistón se distribuye sobre toda la superficie de este. Por ello para encontrar la presión que se desarrollará en el seno de un fluido deberemos dividir el empuje total por la superficie del pistón

La figura 1-10B, una fuerza de 2200 Kg. ejercida en el extremo del vástago es distribuida sobre 200 cm² por lo que la fuerza por cm² será de10 Kg. y esto lo indica el manómetro

Este principio tiene carácter reversible  , en la figura 1-11 la presión interna del fluido actuando sobre el área del pistón produce una fuerza de empuje en el extremo del vástago .

La presión interna indicada por el manómetro 70Kg/cm² actúa sobre 120 cm² de área de pistón produciendo un empuje de 8400 Kg.

No olvidemos que para hallar la superficie de un pistón debemos aplicar la formula:

ÁREA =  PI * R2

 

 

Factor de multiplicación . El flujo de fluido en

tuberías .

Tuberías de aire comprimido

 

FACTOR DE MULTIPLICACIÓN

En la figura 1-12 vemos un método de multiplicar la fuerza en un sistema hidráulico. Una fuerza de 70Kg. es aplicada sobre el pistón A. Mediante el calculo que hemos descrito, se origina una presión disponible de 7 Kg/cm².

 

Esta presión actúa sobre la superficie del pistón B de 20 cm2. produciendo una fuerza de empuje de 140 Kg.

Es decir que la fuerza aplicada sobre el pistón A es multiplicada en la misma relación, que la existente entre las áreas de los dos pistones.

Este principio, de multiplicación de fuerza es empleado en el freno de los automóviles y en las prensas hidráulicas.

Refiriéndonos nuevamente a la Fig. 1-12 vemos que la multiplicación de fuerzas se hace a expensas de sacrificar la carrera del cilindro B. El pistón A se mueve una distancia de 10 cm desplazando 100 cm³ (10 x l0).

Esta cantidad de aceite mueve el pistón B solo 5 cm..

La velocidad de la carrera se ha sacrificado. El pistón B se mueve 5 cm. en el mismo tiempo que el pistón A recorre 10 cm.

En la figura 1-13 vemos una analogía mecánica al sistema hidráulico descrito. El producto de las fuerzas por las distancias debe ser igual en ambos sistemas de acuerdo a las leyes de la mecánica. En el extremo izquierdo 70 x 0,10 = 0,700 Kgm., en el extremo derecho 140 x 0,5 = 0,700 Kgm.

Ampliar tema >>

 

Fuerza de flotación y Principio de Arquímedes

Cualquier persona que esté familiarizada con la natación y otros deportes acuáticos ha observado que los objetos parecen perder peso cuando se sumergen en agua. En realidad, el objeto puede incluso flotar en la superficie debido a la presión hacia arriba ejercida por el agua.

El agua brinda un soporte parcial a cualquier objeto dentro de ella. La fuerza hacia arriba que el fluido ejerce sobre el objeto sumergido recibe el nombre de fuerza de flotación.

La magnitud de la fuerza de flotación siempre es igual al peso del fluido desplazado por el objeto.

Un antiguo matemático griego, Arquímedes fue el primero que estudió el empuje vertical hacia arriba ejercido por los fluidos.

Principio de Arquímedes

Cualquier objeto sumergido completa o parcialmente en un fluido es empujado hacia arriba por una fuerza igual al peso del volumen del fluido desplazado por el cuerpo.

Dinámica de fluidos

Ahora hablaremos de fluidos en movimiento.Cuando un fluido se mueve, su flujo puede caracterizarse como uno de dos tipos principales. Se dice que el flujo será estable o laminar si cada partícula del fluido sigue una trayectoria uniforme, por lo que las trayectorias de diferentes partículas nunca se cruzan entre sí. Así, en el flujo estable, la velocidad del fluido en cualquier punto se mantiene constante en el tiempo.

Arriba de cierta velocidad crítica, el flujo del fluido se vuelve no estable o turbulento. Éste es un flujo irregular caracterizado por pequeñas regiones similares a torbellinos. Ejemplo es el flujo del agua en una corriente, donde éste se vuelve turbulento en regiones donde hay rocas y otras obstrucciones, formando a menudo rápidos de “agua espumosa”.

En general, el término viscosidad se emplea en el flujo de fluidos para caracterizar el grado de fricción interna en el fluido. Esta fricción interna o fuerza viscosa se asocia a la resistencia que presentan dos capas adyacentes del fluido a moverse una respecto de la otra. Por causa de la viscosidad, parte de la energía cinética de

un fluido se convierte en energía térmica. Esto es similar al mecanismo por el cual un objeto pierde energía cinética cuando se desliza sobre una superficie horizontal rugosa.

Debido a que el movimiento de un fluido real es complicado e incluso no comprendido del todo, hacemos algunas suposiciones simplificatorias en nuestro planteamiento. Vamos a hacer un modelo de un fluido ideal.

> Fluido no viscoso. En un fluido no viscoso no se toma en cuenta la fricción interna. Un objeto que se mueve a través de un fluido no experimenta fuerza viscosa.> Flujo estable. En el flujo estable suponemos que la velocidad del fluido en cada punto permanece constante en el tiempo.> Fluido incomprensible. La densidad de un fluido incomprensible se considera que permanecerá constante en el tiempo.

Cuando un fluido está en movimiento, su flujo puede caracterizarse como uno de dos tipos principales: Fluido estable o laminar y fluido no estable o turbulento. Se dice que el flujo será laminar o estable si cada partícula del fluido sigue una trayectoria uniforme, por lo que las trayectorias de diferentes partículas no se cruzan entre sí. Si el flujo es constante la velocidad del fluido en cualquier punto se mantiene constante en el tiempo. la ecuación de continuidad es posible demostrar utilizando el hecho que masa se conserva v1A1=v2A2. La cual señala que en el caso de un fluido incompresible, el producto del área y de la velocidad del fluido en todos los puntos a lo largo del tubo, por donde se mueve el fluido, es una constante.

A partir del teorema de conservación de la energía para el fluido, también es posible demostrar la llamada Ecuación de Bernoulli:

 

Que de forma más sencilla nos dice que las presiones son constantes en un fluido.

EL FLUJO DE FLUIDO EN TUBERÍAS

La situación ideal del flujo en una tubería se establece cuando las capas de fluido se mueven en forma paralela una a la otra. Esto se denomina  "flujo laminar"  figura 1-14. las capas de fluido próximas a las paredes internas de la tubería se mueven lentamente, mientras que las cercanas al centro lo hacen rápidamente. Es necesario dimensionar las tuberías de acuerdo al caudal que circulará por ellas, una tubería de diámetro reducido provocará elevadas velocidades de circulación y como consecuencia perdidas elevadas por fricción; una tubería de gran diámetro resultará costosa y difícil de instalar.

Por lo expuesto recomendamos el uso del gráfico nro. 1  para la elección de los diámetros adecuados en instalaciones hidráulicas.

En la figura 1-15 vemos una situación de flujo turbulento donde las partículas de fluido se mueven en forma desordenada con respecto a la dirección del flujo. La turbulencia es causada por el exceso de velocidad de circulación, por cambios bruscos del diámetro de la tubería, y por la rugosidad interna de la misma la turbulencia produce excesiva perdida de presión en los sistemas y sobrecalentamiento del aceite. A menudo puede ser detectada por el ruido que produce la circulación por las tuberías. Para prevenir la turbulencia , las tuberías deben ser de diámetro adecuado, no tener cambios bruscos de diámetro u orificios restrictotes de bordes filosos que produzcan cambios de velocidad.

En la figura 1-16 vemos una sección de tubería con flujo laminar , las partículas se mueven a alta velocidad en el centro pero paralelas una a la otra. La restricción se ha realizado de manera tal que presenta una transición lenta de velocidades, de esta forma se evita la turbulencia.

Las dos figuras 1-17A y 1-18B muestran qué sucede con la corriente fluida cuando toma una curva de radio amplio se mantienen las condiciones de flujo laminar, a la derecha el cambio de dirección es abrupto induciendo un flujo turbulento. 

Tuberías en Aire Comprimido:

Para el transporte del aire comprimido se reconocen tres tipos de canalizaciones

1.   Cañería principal.   2.   Cañería secundaria.   3.   Cañerías de servicio.

                

Se denomina cañería principal a aquella que saliendo del tanque de la estación compresora conduce la totalidad del caudal de aire. Debe tener una sección generosa considerando futuras ampliaciones de la misma. En ella no debe superarse la velocidad de 8 m/segundo.

Cañerías secundarias son la que tomando el aire de la principal se ramifican cubriendo áreas de trabajo y alimentan a las cañerías de servicio tal como apreciamos en la figura 1-19.

Cañerías de Servicio.

Estas cañerías o "bajadas" constituyen las alimentaciones a los equipos y dispositivos y herramientas neumáticas, en sus extremos se disponen acoplamientos rápidos y equipos de protección integrados por filtros, válvula reguladora de presión y lubricador neumático. Su dimensión debe realizarse de forma tal que en ellas no se supere la velocidad de 15 m/segundo.

Cañerías de Interconexión:

El dimensionado de estas tuberías no siempre se tiene en cuenta y esto ocasiona serios inconvenientes en los equipos, dispositivos y herramientas neumáticas alimentados por estas líneas. Teniendo en cuenta que estos tramos de tubería son cortos podemos dimensionarlos para velocidades de

 

 

circulación mayores del orden de los 20 m/seg.

Caída de Presión en tuberías:

Es importante recordar que la perdida de presión en tuberías "solo" se produce cuando el fluido esta en "movimiento" es decir cuando hay circulación. Cuando esta cesa, caso de la figura 1-23 las caídas de presión desaparecen y los tres manómetros darán idéntico valor.

Si al mismo circuito de la figura anterior le retiramos el tapón del extremo aparecerán perdidas de presión por circulación que podemos leer en los manómetros de la Fig.1-24. Cuando mas larga sea la tubería y mas severas las restricciones mayores serán las perdidas de presión.

Si quitamos las restricciones una gran proporción de la perdida de presión desaparece. En un sistema bien dimensionado, la perdida de presión natural a través de la tubería y válvulas será realmente pequeña como lo indican los manómetros de la Fig.1-25.

Caídas de presión en válvulas.

Las válvulas presentan perdidas de presión localizadas, por ello deben ser correctamente dimensionadas. Una válvula subdimensionada provocará perdidas de potencia y velocidad, una sobre dimensionada será

económicamente cara.

Las recomendaciones precisas figuran en los catálogos de los fabricantes, pero para establecer una norma general diremos: 

Válvulas Hidráulicas: Una velocidad de 4 m/seg. es considerada estándar para aplicaciones generales. Por ello el tamaño de la válvula puede ser el mismo que el diámetro de cañería de la tabla para líneas de presión.

En condiciones especiales pueden utilizarse tamaños mayores o menores.

 

Válvulas Neumáticas.

Una regla similar puede utilizarse aquí. El tamaño de los orificios de conexión de los cilindros neumáticos es una guía razonable para el tamaño de la válvula. Como excepción se presentan los siguientes casos:

1. Cuando una válvula comanda varios cilindros.2. Cuando se requieren altas velocidades de operación en un cilindro.

3. Cuando el cilindro operara siempre a bajas velocidades

Pérdida de Presión en un Circuito Automático.

No todas las caídas de presión son malas. En la figura siguiente hay un diagrama que ilustra una técnica importante utilizada en la automación de circuitos, y aplicada en neumática e hidráulica. Cuando el cilindro de la Fig.1-26 llega a su posición de trabajo, una señal eléctrica es obtenida para poner en funcionamiento la próxima operación en un ciclo automático.

Nuestra descripción comienza con plena presión disponible en la bomba o compresor, pero con la válvula de control cerrada, de manera que el cilindro se encuentra retraído El primer manómetro indica 100 PSI (7Kg/cm2). Las dos restantes indican 0. El presostato está ajustado a 80 PSI. 

Con la válvula abierta, el fluido se dirige al cilindro. La restricción representa la pérdida de carga de una tubería.

Cuando el fluido comienza a circular, una perdida de presión es generada, y esta ilustrada por la lectura de los sucesivos manómetros. El cilindro se desplaza libremente, requiriendo solamente 20PSI para moverse ; el remanente de presión disponible es consumido a lo largo de la línea. El presostato ajustado a 80 PSI no se conmuta mientras el cilindro hace su carrera libre.

Cuando el cilindro llega al final de su carrera o a un tope positivo el movimiento de fluido cesa y en la cámara del cilindro (y en el presostato) la presión alcanza su valor máximo 100 PSI. Una señal eléctrica procedente del presostato comandará la siguiente función de un ciclo automático.

CAÍDA DE PRESIÓN EN EL CIRCUITO DE UNA PRENSA HIDRÁULICA.

Las figuras 1-28 y 1-29 vemos dos diagramas de bloques que muestran dos estados de un mismo ciclo de trabajo de una prensa.

Se pueden efectuar grandes economías, cuando las necesidades de máxima fuerza a desarrollar por la prensa, son necesarias únicamente en condiciones estáticas, o a través de muy cortas carreras.

Las válvulas y tuberías se subdimensionan a propósito por razones económicas, pero en la operación de la prensa esto no tiene efectos perjudiciales. Esto es cierto ya que se basa en el principio ya visto de que no hay caídas de presión cuando no existe circulación. He aquí como opera:

 

El cilindro recibe fluido hidráulico desde la bomba y se mueve libremente. La restricción en la línea representa la resistencia a la circulación a través de válvulas y tuberías subdimensionadas. Esta restricción no reduce el volumen de aceite procedente de la bomba hidráulica de desplazamiento positivo, tal como veremos al estudiar estos elementos.

La restricción en cambio consume una buena proporción de la presión que es capaz de desarrollar la bomba, pero esto no tiene importancia por que solamente una muy pequeña presión es necesaria para mover el cilindro en su carrera libre.

 

En este diagrama el cilindro llega a su posición de trabajo. Cuando el cilindro se detiene cesa la circulación de fluido a través de las válvulas y tubería y la caída de presión desaparece del sistema. Toda la fuerza de empuje es obtenida entonces a pesar de lo pequeño de las válvulas y tuberías. Estas figuras son diagramas en bloque en la realidad cuando el cilindro se detiene, todo el caudal de la bomba es descargado a tanque a través de una válvula de alivio no mostrada en la figura 1-29.

Hidráulica : Tanques y depósitos , accesorios , circuitos hidráulicos

OPERACIÓN DE COMPONENTES HIDRÁULICOS

Para transmitir y controlar potencia a través de los líquidos a presión, se requiere un conjunto de componentes interconectados. Se refiere comúnmente al conjunto como sistema. El número y el conjunto de componentes varían de sistema a sistema, dependiendo del uso particular. En muchas aplicaciones, un sistema principal de potencia alimenta a varios subsistemas, que se refieren a veces como circuitos. El sistema completo puede ser una pequeña unidad compacta; más a menudo, sin embargo, los componentes se ubican en puntos extensamente separados para un conveniente control y operación del sistema.

Los componentes básicos de un sistema de potencia fluida son esencialmente iguales, sin importar si el sistema utiliza un medio hidráulico o neumático.

Hay cinco componentes básicos usados en un sistema hidráulico.

Estos componentes básicos son:

1. Depósito o receptor 2. Bomba o compresor 3. Líneas (cañerías, tubería, o manguera flexible) 4. Válvula de control direccional 5. Dispositivo de impulsión

Varios usos de la potencia hidráulica requieren solamente un sistema simple; es decir, un sistema que utiliza solamente algunos componentes además de los cinco componentes básicos. Algunos de estos usos se presentan en los párrafos siguientes. Explicaremos la operación de estos sistemas brevemente ahora así usted sabrá el propósito de cada componente y puede entender mejor cómo la hidráulica se utiliza en la operación de estos sistemas.

GATO HIDRÁULICO

El gato hidráulico es quizás una de las formas más simples de un sistema de potencia fluida. Moviendo la manivela de un pequeño dispositivo, un individuo puede levantar una carga que pesa varias toneladas. Una pequeña fuerza inicial ejercida en la manija es transmitida por un líquido a un área mucho más grande. Para entender esto mejor, vea la figura a continuación. El pequeño pistón de la entrada tiene un área de 5 pulgadas cuadradas y está conectado directamente con un cilindro grande con un pistón en la salida que tiene un área de 250 pulgadas cuadradas.

 

Fig. : Gato hidráulico

La tapa de este pistón forma una plataforma de elevación. Si una fuerza de 25 libras se aplica al pistón de la entrada, ésta produce una presión de 5 psi en el líquido, es decir, por supuesto, si una suficiente cantidad de fuerza resistente está actuando contra la tapa del pistón de salida. Despreciando las pérdidas por fricción, esta presión que actúa en el área de 250 pulgadas cuadradas del pistón de salida soportará una fuerza resistente de 1.250 libras. Es decir, esta presión podría vencer una fuerza ligeramente inferior a 1.250 libras.

Una fuerza de la entrada de 25 libras se ha transformado en una fuerza de funcionamiento de más de media tonelada; sin embargo, para que esto sea verdad, la distancia recorrida por el pistón de entrada debe ser 50 veces mayor que la distancia que se desplazó el pistón de la salida. Así, para cada pulgada que el pistón de la entrada se mueva, el pistón de salida se moverá solamente 1/50 de pulgada.

Esto sería ideal si el pistón de la salida necesitara moverse solamente una distancia corta. Sin embargo, en la mayoría de los casos, el pistón de salida tendría que ser capaz de moverse una distancia mayor para servir para una aplicación práctica. El dispositivo mostrado en la figura arriba no es capaz de mover el pistón de salida más lejos que lo mostrado; por lo tanto, algún otro medio se debe utilizar para levantar el pistón de salida a una mayor altura.

El pistón de la salida se puede levantar más arriba y mantenerse en esta altura si componentes adicionales son instalados según puede verse en la figura a

continuación. En esta ilustración se diseña el gato para poder ser levantado, ser bajado, o sostenerse en una altura constante. Estos resultados son logrados introduciendo un número de válvulas y también una fuente de la reserva de líquido que se utilizará en el sistema.

Note que este sistema contiene los cinco componentes básicos: el depósito; cilindro 1, que sirve como bomba; válvula 3, que sirve como válvula de control direccional; cilindro 2, que sirve como el dispositivo de impulsión; y las líneas para transmitir el líquido a y desde los diversos componentes. Además, este sistema contiene dos válvulas, 1 y 2, cuyas funciones se explican seguidamente.

Mientras que se levanta el pistón de entrada ( visión A en la figura), la válvula 1 es cerrada por la presión de retorno del peso del pistón de salida. Al mismo tiempo, la válvula 2 es abierta por el cabezal de líquido en el depósito. Esto fuerza el líquido dentro del cilindro 1.

Fig. : Gato hidráulico. (A) - Subida de pistón (B) - Bajada de pistón.

Cuando se baja el pistón de la entrada (visión B en la figura), una presión se desarrolla en el cilindro 1. Cuando esta presión excede el cabezal en el depósito, se cierra la válvula 2. Cuando excede la presión de retorno del pistón de la salida, abre la válvula 1, forzando el líquido en la tubería.

La presión del cilindro 1 se transmite así hacia el cilindro 2, donde actúa para levantar el pistón de salida con su plataforma de elevación adjunta. Cuando el pistón de entrada se levanta otra vez, la presión en el cilindro 1 cae debajo de la disponible en el cilindro 2, haciendo la válvula 1 cerrarse. Esto evita la vuelta del líquido y sostiene el pistón de la salida con su plataforma de la elevación fijada en su nuevo nivel. Durante este movimiento, la válvula 2 se abre otra vez permitiendo un nuevo suministro de líquido en el cilindro 1 para el movimiento siguiente (hacia abajo) de potencia del pistón de entrada.

Así, por movimientos repetidos del pistón de entrada, la plataforma de elevación puede ser levantada progresivamente. Para bajar la plataforma de elevación, la válvula 3 se abre, y el líquido del cilindro 2 se vuelve al depósito.

Fig. : Gato hidráulico

En este sistema, en la vista de figura anterior, un reservorio y un sistema de válvulas ha sido agregado a la palanca hidráulica de Pascal para accionar un pequeño cilindro o bomba continuamente, y elevar un gran pistón o un actuador un poco por cada accionamiento o carrera. El diagrama A muestra una carrera de entrada. Una válvula de retención de salida cierra por presión una carga, y una válvula de retención de entrada se abre de manera que el líquido del tanque de reserva llene la cámara de bombeo. El diagrama B muestra la bomba accionando hacia abajo. Una válvula de retención de entrada cierra por presión y una válvula de retención de salida se abre. Mas líquido es bombeado bajo un gran pistón para elevarlo. Para bajar la carga, una tercera válvula (válvula aguja) se abre, la que abre un área debajo del pistón grande hacia el tanque de reserva. La carga luego empuja el pistón hacia abajo y fuerza al líquido hacia el tanque de reserva

FRENOS HIDRÁULICOS

El sistema de frenos hidráulico usado en el automóvil es un sistema múltiple de pistones. Un sistema múltiple de pistones permite que las fuerzas sean transmitidas a dos o más pistones de la manera indicada en la figura siguiente.

Fig. : Sistema múltiple de pistones

Observe que la presión desarrollada por la fuerza aplicada al pistón de entrada (1) será transmitida sin pérdidas a ambos pistones de salida (2 y 3), y que la fuerza resultante en cada pistón es proporcional a su área. La multiplicación de fuerzas del pistón de entrada a cada pistón de salida se rige de acuerdo con los mismos principios explicados antes.

El sistema de frenos hidráulico de los cilindros maestros hasta los cilindros de cada rueda en la mayoría de los automóviles funciona de una manera similar al sistema ilustrado en la figura anterior.

Fig. : Sistema de frenos del automóvil.

Cuando el pedal de freno es accionado, la presión sobre el pedal mueve el pistón dentro del cilindro maestro, forzando y desplazando al líquido de frenos desde el cilindro maestro a través de las tuberías y de las mangueras flexibles hacia los cilindros de las ruedas. Los cilindros de las ruedas contienen dos pistones de salida opuestos, cada unos de los cuales están fijados a una zapata de freno ubicada dentro del tambor de freno. Cada pistón de salida empuja la zapata contra la pared del tambor de freno, retardando así la rotación de la rueda. Cuando la presión sobre el pedal es liberada, los resortes en las zapatas vuelven los pistones de cilindro de rueda a sus posiciones liberadas. Esta acción fuerza al fluido o líquido de freno desplazado a retornar a través de las mangueras flexibles y de las tuberías al cilindro maestro.

La fuerza aplicada al pedal de freno produce una fuerza proporcional en cada uno de los pistones de salida, los que a su vez accionan las zapatas produciendo el efecto de fricción en las ruedas al girar para retardar la rotación de las mismas.

Según lo mencionado previamente, el sistema de frenos hidráulico en la mayoría de los automóviles funciona de una manera similar, según las indicaciones en la figura arriba. Está más allá del alcance de este sitio discutir los diferentes sistemas de frenos.

ACUMULADORES

Los fluidos usados en los sistemas hidráulicos no pueden ser comprimidos como los gases y así almacenarse para ser usados en diferentes lugares o a tiempos distintos.

Un acumulador consiste en un depósito destinado a almacenar una cantidad de fluido incompresible y conservarlo a una cierta presión mediante una fuerza externa.

El fluido hidráulico bajo presión entra a las cámaras del acumulador y hace una de estas tres funciones: comprime un resorte, comprime un gas o levanta un peso, y posteriormente cualquier caída de presión en el sistema provoca que el elemento reaccione y fuerce al fluido hacia fuera otra vez.

Los acumuladores, en los cilindros hidráulicos se pueden aplicar como:

Acumulador de energía Antigolpe de ariete Antipulsaciones Compensador de fugas Fuerza auxiliar de emergencias Amortiguador de vibraciones Transmisor de energía de un fluido a otro

Acumulador de contrapeso

El acumulador cargado por peso, ejerce una fuerza sobre el líquido almacenado, por medio de grandes pesos que actúan sobre el pistón o émbolo. Los pesos pueden fabricarse de cualquier material pesado, como hierro, concreto e incluso agua.

Generalmente los acumuladores cargados por peso son de gran tamaño; en algunos casos su capacidad es de varios cientos de litros. Pueden prestar servicio a varios sistemas hidráulicos al mismo tiempo y usualmente son utilizados en fábricas y sistemas hidráulicos centrales.

Su capacidad para almacenar fluidos a presión relativamente constante, tanto si se encuentran llenos como casi vacíos, representa una ventaja con respecto a otros tipos de acumuladores que no poseen esta característica. La fuerza aplicada por el peso sobre el líquido es siempre la misma independiente de la cantidad de fluido contenido en el acumulador.

Una circunstancia desventajosa de los acumuladores cargados por peso es que generan sobrepresiones. Cuando se encuentran descargando con rapidez y se detienen repentinamente, la inercia del peso podría ocasionar variaciones de presión excesivas en el sistema. Esto puede producir fugas en las tuberías y accesorios, además de causar la fatiga del metal, lo cual acorta la vida útil de los componentes.

Acumulador cargado por muelle

En los acumuladores cargados por resorte, la fuerza se aplica al líquido almacenado por medio de un pistón sobre el cual actúa un resorte. Suelen ser más pequeños que los cargados por peso y su capacidad es de sólo algunos litros. Usualmente dan servicio a sistemas hidráulicos individuales y operan a baja presión en la mayoría de los casos.

Mientras el líquido se bombea al interior del acumulador, la presión del fluido almacenado se determina por la compresión del resorte. Si el pistón se moviese hacia arriba y comprimiera diez pulgadas al resorte, la presión almacenada sería mayor que en el caso de un resorte comprimido tan sólo cuatro pulgadas.

A pesar de los sellos del pistón, cierta cantidad de fluido almacenado podría infiltrarse al interior de la cámara del resorte del acumulador. Para evitar la acumulación de fluido, un orificio de respiración practicado en la cámara permitirá la descarga del fluido cuando sea necesario.

Acumulador de Pistón

Un acumulador de tipo pistón consiste en un cuerpo cilíndrico y un pistón móvil con sellos elásticos. El gas ocupa el volumen por encima del pistón y se comprime cuando el fluido entra al interior del cuerpo cilíndrico. Al salir el fluido del acumulador la presión del gas desciende. Una vez que todo el líquido ha sido descargado, el pistón alcanza el final de su carrera y cubre la salida manteniendo el gas dentro del acumulador.

Acumulador de gas no separado

Los acumuladores de gas no separado consisten en un depósito en el que se coloca un volumen de fluido y a continuación se le da la presión al gas. Normalmente se instalan en circuitos donde el volumen de aceite tiene un máximo y un mínimo dentro del acumulador.

Este acumulador es sencillo de construcción, económico y se puede realizar para caudales medianos. Tiene el inconveniente de que existe el peligro de que el gas se mezcle con el aceite.

Acumulador de Diafragma

El acumulador de tipo diafragma se compone de dos hemisferios metálicos atornillados juntos, pero cuyo volumen interior se halla separado por un diafragma de hule sintético, el gas ocupa el hemisferio superior. Cuando el fluido entra en el espacio inferior, el gas se comprime. Al descargar todo el líquido, el diafragma desciende hasta la salida y mantiene el gas dentro del acumulador.

Este tipo de acumuladores son para caudales relativamente pequeños y presiones medias.

Acumulador de vejiga

El acumulador de tipo vejiga se compone de un casco de metal en cuyo interior se encuentra una vejiga de hule sintético que contiene al gas. Cuando el fluido entra al interior del casco, el gas en la vejiga se comprime.

La presión disminuye conforme el fluido sale del casco, una vez que todo el líquido ha sido descargado, la presión del gas intenta empujar la vejiga a través de la salida del acumulador. Sin embargo, una válvula colocada encima del puerto de salida, interrumpe automáticamente el flujo cuando la vejiga presiona el tapón de la misma.

Observaciones:

No cargar nunca un acumulador con oxígeno o con aire. Descargar la presión hidráulica antes de quitar el acumulador. Antes de despiezar el acumulador quitar presión hidráulica y presión de gas

Fluidos hidráulicos . Propiedades requeridas .

Tanques y Depósitos.

La función natural de un tanque hidráulico o tanque de reserva es contener o almacenar el fluido de un sistema hidráulico. En qué consiste un tanque hidráulico ?, un tanque de hidráulico almacena un líquido que no está siendo usado en un sistema hidráulico. El mismo además permite la extracción de los gases y materiales extraños del líquido. Un tanque de reserva construido apropiadamente debería poder disipar el calor del aceite, separar el aire del aceite, y extraer los contaminantes que se encuentran en el mismo. Los tanques de reserva varían en tamaño de construcción desde pequeños tanques de acero estampado a grandes unidades fabricadas en hierro fundido. Los tanques grandes deben estar arenados luego de que todas las soldaduras hayan finalizado y luego enjuagados y limpiados al vapor. Al hacer esto se remueve los restos de soldadura y virutas que queden del estampado en caliente del acero. La superficie interna luego debe ser sellada con una pintura compatible con el fluido hidráulico. Un esmaltado de motor rojo es apropiado para aceites de petróleo y sella cualquier suciedad residual no removida por el enjuague y la limpieza al vapor.En un sistema hidráulico industrial, en donde no hay problemas de espacio y puede considerarse la obtención de un buen diseño, los tanques hidráulicos consisten de cuatro paredes (normalmente de acero), un fondo con desnivel, una tapa plana con una placa para montaje, cuatro patas, líneas de succión, retorno y drenaje; tapón de drenaje, indicador de nivel de aceite; tapón para llenado y respiración; una cubierta de registro para limpieza y un tabique separador o placa deflectora.

Además de funcionar como un contenedor de fluido, un tanque también sirve para enfriar el fluido, permitir asentarse a los contaminantes y el escape del aire retenido.

Cuando el fluido regresa al tanque, una placa deflectora bloquea el fluido de retorno para

impedir su llegada directamente a la línea de succión. Así se produce una zona tranquila, la cual permite sedimentarse a las partículas grandes de suciedad, que el aire alcance la superficie del fluido y da oportunidad de que el calor se disipe hacia las paredes del tanque.

La desviación del fluido es un aspecto muy importante en la adecuada operación del tanque. Por esta razón, todas las líneas que regresan fluido al tanque deben colocarse por debajo del nivel del fluido y en el lado de la placa deflectora opuesto al de la línea de succión.

La mayoría de los sistemas hidráulicos de tamaño pequeño a mediano utilizan los tanques o depósitos como base de montaje para la bomba, motor eléctrico, válvula de alivio, y a menudo otras válvulas de control. Este conjunto se llama. "Unidad de bombeo",  "Unidad Generada de Presión" etc.

La tapa del tanque puede ser removida para permitir la limpieza e inspección. Cuando esta no es la lateral y constituye la parte superior del tanque lleva soldadas cuplas para recibir la conexión de tuberías de retorno y drenaje. Se colocan guarniciones alrededor de las tuberías que pasan a través de la tapa para eliminar la entrada de aire.

Forma. La figura siguiente muestra algunas de las características de diseño de un tanque de reserva. El mismo debería ser alto y angosto en lugar de profundo y ancho. El nivel de aceite deberá estar tan alto como sea posible sobre la apertura de la línea de succión de la bomba. Esto evita que el vacio en la apertura de la línea cause efectos de remolino o vórtices, lo que significaría que el sistema está probablemente tomando aire. El aceite aireado no transmitirá potencia correctamente debido a que el aire es compresible. Al aceite aireado tiene una tendencia a deteriorarse y perder su habilidad de lubricación.

Tamaño. Los tamaños de los tanques de reserva variaran. Sin embargo, un tanque de reserva debe ser lo suficientemente grande como para que el mismo tenga una reserva de aceite con todos los cilindros en un sistema completamente extendidos. Una reserva de aceite debe ser lo suficientemente elevada para evitar vórtices en la apertura de la línea de succión. Un tanque de reserva debe tener espacio suficiente para almacenar todo el aceite cuando los cilindros están retraídos, además disponer de espacio para la expansión cuando el aceite está caliente.

La mayoría de los tanques de equipos móviles están localizados sobre las bombas. Esto crea una condición de entrada inundada a la bomba. Esta condición reduce la posibilidad de cavitación de la bomba (una condición donde todo el espacio disponible no está llenado y con frecuencia partes de metal se erosionan). Al inundar la entrada se reduce además la tendencia a la formación de remolinos en la apertura de la succión de la bomba.

La localización de un tanque de reserva afecta a la disipación de calor. Idealmente, todos los tanques deberían estar expuestos al aire exterior. El calor se mueve desde la sustancia caliente a la sustancia fría; la transferencia de calor es mayor cuando hay una gran diferencia de temperatura. Los tanques de reserva son construidos dentro de los brazos de

carga frontal y son muy efectivos en la transferencia del calor.

Un tamaño común de reservorio sobre una máquina móvil es un tanque de 20 o 30 galones usado con un sistema de GPM. Muchos sistemas de 10GPM operan con tanque de 2 o 3 galones debido a que estos sistemas móviles operan intermitentemente, no en forma constante. Para máquinas estacionarias, una regla de buen cubero es que el tamaño del tanque de reserva debería ser dos o tres veces la salida de la bomba por minuto. Un tanque de gran tamaño es altamente deseable para enfriamiento. Las grandes áreas de superficie expuestas al aire exterior transfieren calor desde el aceite. Además, un tanque grande ayuda a sedimentar los contaminantes y separar el aire al reducir la recirculación.

Ventilación y presurización. La mayoría de los tanques de reserva son ventilados hacia la atmósfera. Una abertura de ventilación permite que el aire salga o entre al espacio sobre el aceite a medida que el nivel de aceite sube o baja. Esto mantiene una presión atmosférica constante sobre el aceite. Una tapa de filtro de tanque de reserva con un elemento filtrante, es con frecuencia usado como venteo. El tanque se completa con un indicador de nivel, un filtro de respiración que impide la entrada de aire sucio.

Algunos tanques de reserva son presurizados, usando un simple válvula de control de presión en lugar de una de venteo. Una válvula de control de presión permite automáticamente al aire filtrado ingresar al tanque pero evita liberación de aire a no ser que la presión alcance un nivel prefijado. Un tanque de reserva presurizado tiene lugar cuando el aceite y el aire en un tanque se expanden debido  al calor

Conexiones de línea. La bomba de succión y las líneas de retorno del tanque deben estar fijadas con bridas o mediante acoples de alta resistencia soldados. Los acoples estándar usualmente no son apropiados debido a que se dilatan al ser soldados. Si una línea de succión es conectada en la parte inferior, el acople se deberá extender bien por arriba de la base, dentro del tanque; la suciedad residual no entrará a la línea de succión cuando un tanque o regulador está limpio. La línea de retorno deberá descargar cerca de la parte inferior del tanque siempre debajo del nivel de aceite. La cañería es usualmente cortada en un ángulo de 45° y el flujo apuntado hacia afuera de la línea de succión para mejorar la circulación y el enfriamiento.

Una placa separadora (bafle)  es usada usualmente para separar la línea de succión de la línea de retorno. Esto hace que el aceite de retorno circule alrededor de una pared exterior para su enfriamiento antes de que el mismo llegue a la bomba nuevamente. La placa separadora debería ser de aproximadamente dos tercios de la altura del tanque. Las esquinas inferiores son cortadas en forma diagonal para permitir la circulación. Las mismas deberán ser mayores en área que el área transversal de la línea de succión. De otra manera el nivel de aceite entre el lado de retorno y el lado de salida debe ser desparejo. La separación evita además que el aceite desborde o salpique alrededor cuando la máquina se está moviendo. Muchos tanques de reserva grandes son provistos con separadores transversales para proporcionar enfriamiento y evitar movimientos excesivos del líquido.

La posición de los bafles dentro del  tanque es muy importante (ver fig.2-7). En primer lugar establecer la separación entre la línea de succión y la descarga de retorno.

En segundo lugar la capacidad de radiación de temperatura del tanque puede ser incrementada si el bafle se coloca de forma tal que el aceite circule en contacto con las paredes externas como lo muestra la figura 2-7.

Para sistemas corrientes el tamaño del tanque debe ser tal que el aceite permanezca en su interior de uno a tres minutos antes de recircular. Esto quiere decir que sí el caudal de la bomba es de 60 litros por minuto, el tanque debe tener una capacidad de 60 a 180 litros. En muchas instalaciones, la disponibilidad de espacio físico no permite el empleo de tanques de gran capacidad, especialmente en equipos móviles. Las transmisiones hidrostáticas en lazo cerrado, constituyen una excepción a la regla, ordinariamente emplean tanques relativamente pequeños.

Tener un tanque muy grande a veces puede ser una desventaja en sistemas que deben arrancar a menudo u operar en condiciones de bajas temperaturas.

Mantenimiento. Los procedimientos de mantenimiento incluyen el drenaje y limpieza del tanque de reserva. El tanque debería tener un fondo en forma de plato que esté provisto con una conexión o válvula de drenaje en su nivel mas bajo; este dispositivo de conexión debe estar empalmado con el interior del tanque para permitir el drenaje completo. En tanques grandes, las placas de acceso pueden estar atornilladas sobre los extremos para su fácil remoción y servicio. El tanque de reserva debería disponer de un indicador de nivel vidriado para controlar el nivel de aceite y prevenir daños por pérdida de lubricación.

Los reguladores en una línea de succión pueden no requerir tanto mantenimiento. Sin embargo, el elemento de filtro de una línea de retorno requerirá cambio periódico. Por lo tanto, dicho filtro no deberá estar dentro del tanque de reserva. Cuando un tanque de reserva es presurizado por aire comprimido, la humedad puede volverse un problema de mantenimiento. El tanque deberá tener una trampa de agua para la remoción de la humedad; la misma deberá ser localizada donde pueda ser inspeccionada en forma diaria.

Accesorios para tanques.

En la Fig.2-8 vemos un nivel visible para tanques, este elemento construido en plástico permite que el operador no solo verifique el nivel sino también la condición de emulsión del aceite.

Tapa de llenado : el orificio de llenado debe ser cubierto por una tapa preferentemente retenida por una cadena. En la figura 2-9 ilustramos un tipo que usa una coladera para filtrar el aceite que se verterá hacia el tanque.

Los depósitos hidráulicos están venteados a la atmósfera. Por ello la conexión de venteo debe estar protegida por un filtro.

Cuando los sistemas operan en una atmósfera limpia puede emplearse un filtro de respiración de bajo costo como el de la figura 2-10. Pero si se opera en atmósferas muy contaminadas deben emplearse filtros de alta calidad capaces de retener partículas mayores de 10 micrones.

 

Hidráulica : filtros hidráulicos

Hidráulica : Mas temas , ver aquí .

HIDRÁULICA : FILTROS HIDRÁULICOS

Hemos visto que el mantenimiento de los fluidos hidráulicos dentro de los límites permisibles es crucial para el cuidado y la protección del equipamiento hidráulico. Mientras que todos los esfuerzos necesarios deben ser hechos para prevenir que los contaminantes ingresen al sistema, igualmente los mismos entran y deben ser removidos. Los dispositivos de filtrado son instalados en sectores clave de los

sistemas de potencia fluida para remover los contaminantes que entran al sistema, al mismo tiempo que aquellos que son generados durante las operaciones normales. Los dispositivos de filtrado para sistemas hidráulicos difieren en cierta manera de aquellos para sistemas neumáticos. Los dispositivos de filtrado usado en los sistemas hidráulicos son comúnmente conocidos como tamices (también llamados coladeras) y filtros. Dado que comparten una misma función, los términos tamiz y filtro son con frecuencia intercambiados. Como regla general, los dispositivos usados para quitar grandes partículas de materia extraña de los fluidos hidráulicos son identificados como tamices, mientras que aquellos usados para remover las partículas mas pequeñas son llamados filtros.

Coladera de succión: La mayoría de las bombas utilizan para su protección un filtro destinado a retener partículas sólidas en la aspiración. Las coladeras de succión o tamices son usadas primariamente para capturar sólo grandes partículas y serán encontrados en aplicaciones donde este tipo de protección es requerida.

La mayoría de los sistemas hidráulicos tienen una coladera en el reservorio en la entrada a la línea de succión de la bomba. Una coladera es usada en lugar de un filtro para reducir su posibilidad de ser atascado y dejar sin fluido a la bomba. Sin embargo, dado que esta coladera está localizada en el reservorio, su mantenimiento es con frecuencia descuidado. Cuando suciedad muy pesada y barros se acumulan sobre la sección de la coladera, la bomba pronto comienza a cavitar, y la falla de la misma viene pronto a continuación.

La practica usual cuando se emplean aceites minerales estándar, es utilizar coladeras de malla metálica capaces de retener partículas mayores de 150 micrones. Cuando se emplean fluidos ignífugos que tienen un peso especifico superior al aceite, es preferible emplear coladeras de malla 60 capaces de retener partículas mayores de 200 micrones, para evitar la cavitación de la bomba.

Con la introducción de bombas y válvulas con alto grado de precisión, operación a presiones elevadas y altas eficiencias, el empleo de la coladera de aspiración no es protección suficiente para el sistema, si se quiere obtener una larga vida del mismo.

El dispositivo mas común instalado en los sistemas hidráulicos para evitar que materia extraña y contaminación quede en el sistema es conocido como filtro. Los filtros pueden ser ubicados en el reservorio, en la línea de retorno, en la línea de presión, o en cualquier otra ubicación en el sistema donde el diseñador del mismo decida que sea necesario para salvaguardar el sistema contra las impurezas.

Los filtros son clasificados como de flujo pleno o total y flujo proporcional o parcial. En el tipo de filtro de flujo pleno o total, todo el fluido que ingresa a la unidad pasa a través del elemento filtrante, mientras que en el tipo de filtro de flujo proporcional, sólo una porción del fluido pasa a través del elemento. El propósito de la filtración no es solo prolongar la vida útil de los componentes hidráulicos, si no también evitar paradas producidas por la acumulación de impurezas en las estrechas holguras y orificios de las modernas válvulas y servoválvulas . Para prolongar la vida útil de los aparatos hidráulicos es de vital importancia emplear aceites limpios, de buena calidad y no contaminado. La limpieza de los aceites se puede lograr reteniendo las partículas nocivas o dañinas y efectuando los cambios de aceite en las fechas y periodos que establecen los fabricantes o que determinan las especificaciones técnicas del aceite y/o elementos del circuito.

Los elementos que constituyen contaminantes para el aceite pueden ser entre otros:

Agua Ácidos

Hilos y fibras Polvo, partículas de junta y pintura

y el elemento que debe retener estos contaminantes es el filtro.

Para evitar que los aceites entren en contacto con elementos contaminantes; puede procurarse lo siguiente:

1. En reparaciones, limpiar profusamente 2. limpiar el aceite antes de hacerlo ingresar al sistema 3. cambiar el aceite contaminado periódicamente 4. contar con un programa de mantención del sistema hidráulico 5. cambiar o limpiar los filtros cuando sea necesario

Elementos filtrantes

La función de un filtro mecánico es remover la suciedad de un fluido hidráulico. Esto se hace al forzar la corriente fluida a pasar a través de un elemento filtrante poroso que captura la suciedad.

Hay varios tipos de elementos filtrantes: de profundidad ( de flujo pleno, de flujo parcial), de superficie, etc.

Filtro de flujo pleno.

El filtro de flujo pleno proporciona una acción positiva de filtrado; sin embargo, el mismo ofrece resistencia al filtrado, particularmente, cuando el elemento de ensucia. El fluido hidráulico entra al filtro a través del puerto de entrada en el cuerpo y fluye alrededor del elemento de filtro dentro del vaso de filtro. El filtrado tiene lugar a medida que el fluido pasa a través del elemento de filtrado y hacia dentro del núcleo hueco, dejando la suciedad y las impurezas en la parte exterior del elemento de filtro.

El fluido filtrado luego circula desde el núcleo hueco a través del puerto de salida y hacia el interior del sistema.

Figura: filtro hidráulico de flujo pleno.

Algunos filtros de flujo pleno están equipados con un indicador de contaminación, ver figura siguiente :

La figura 2-11 no muestra un filtro micronico que puede ser empleado en el retorno o el envío, el elemento filtrante de papel impregnado en fibra de vidrio, metal sinterizado, u otros materiales puede ser removido desenroscando el recipiente. Cuando la caída de presión a través del elemento se incrementa, para evitar el colapso del mismo, una válvula de retención se abre dando paso libre al aceite a través de un atajo o bypass.

Figura: Filtro hidráulico de flujo pleno tipo bypass (con indicador de contaminación)

Estos indicadores, también conocidos como indicadores de presión diferencial, están disponibles en tres tipos (indicador de aguja, indicador mecánico de disparo, e indicadores eléctricos con disparo mecánico). A medida que las partículas contaminantes se acumulan  sobre el elemento filtrante, la presión diferencial a través del elemento se incrementa. En algunas instalaciones que usan indicadores de aguja, la presión diferencial debe ser obtenida por sustracción de lecturas de dos indicadores localizados en algún lugar a lo largo de la cañería de entrada  y salida del filtro. Para indicadores de disparo, cuando el incremento en la presión alcanza un valor específico, un indicador (usualmente en el cabezal del filtro) se dispara, significando que el filtro debe ser limpiado o reemplazado. Un dispositivo de bloqueo de baja temperatura es instalado en la mayoría de los tipos de disparo, para eliminar la posibilidad de falsas indicaciones debido al tiempo frío, ya que la presión diferencial puede alcanzar valores mas altos con un fluido frio debido al incremento de viscosidad.

Los elementos filtrantes usados en filtros que tienen un indicador de contaminación no son normalmente quitados o reemplazados hasta que el indicador es accionado. Esto disminuye la posibilidad de contaminación del sistema de fuentes exteriores debido al manoseo innecesario.

El uso del filtro del modo sin bypass elimina la posibilidad de fluido contaminado que puentee el elemento filtrante y contamine el sistema completo. Este tipo de filtro minimiza la

necesidad de enjuagar el sistema completo y disminuir la posibilidad de falla de bombas y otros componentes en el sistema.

Una bomba de alivio de bypass es instalada en algunos filtros. La válvula de alivio de bypass permite el fluido puentear el elemento filtrante y pasar directamente a través del puerto de salida en el caso en que el elemento filtrante se obstruya. Estos filtros pueden estar equipados o no con un indicador de contaminación. La figura muestra un tipo de filtro hidráulico de flujo pleno tipo bypass, con un indicador de contaminación. La figura muestra un tipo de filtro hidráulico de flujo pleno tipo bypass, sin indicador de contaminación.

Un indicador de bypass de filtro proporciona una indicación positiva, al ser accionado, de que el fluido está puenteando el elemento de filtro al circular a través de la válvula de alivio de bypass. Este indicador no debería ser confundido con el indicador de presión diferencial de disparo previamente tratado, que simplemente monitorea la presión a través del elemento. Con el indicador de bypass, un botón de disparo similar es con frecuencia usado para señalizar que se necesita mantenimiento. Sin embargo, los indicadores de bypass también señalizan que, como resultado de la presión diferencial a través del elemento, una válvula de alivio de bypass interna se ha levantado y algo del fluido está puenteando el elemento.

La identificación del tipo de indicador instalado puede ser obtenida en los gráficos de distribución cañerías de filtros o manuales de equipamiento relacionados. Tanto un indicador de bypass de fluido como un indicador de presión diferencial o manómetro pueden ser instalados en el mismo conjunto filtrante.

De igual manera que con los indicadores de presión diferencial, los indicadores de alivio de bypass pueden ser accionados por transitorios en la presión, como los que se pueden producir durante los arranques en frío o por presurizaciones rápidas del sistema. En algunos indicadores de alivio, el botón de disparo, o cualquier dispositivo de señal que sea usado, retornará a su posición normal cuando el transitorio pase y la presión ser reducida. Otros indicadores de alivio pueden continuar para indicar la condición del bypass hasta que los mismos sean manualmente repuestos.

Antes de que la acción correctiva sea tomada basándose en las lecturas del indicador, la condición del bypass debería ser verificada a temperatura operativa normal y condiciones de flujo intentando reponer el indicador.

Filtro de flujo proporcional

Este tipo de filtro opera según el principio de Venturi. A medida que el fluido pasa a través de la garganta de Venturi una caída de presión es creada en el punto mas estrecho. Ver figura. Una porción del fluido circulando hacia y desde la garganta del Venturi fluye a través de los pasajes dentro del cuerpo del filtro. Un pasaje de fluido conecta el núcleo hueco del filtro con la garganta del Venturi. Así, el área de baja presión en la garganta del Venturi hace que el fluido bajo presión en el cuerpo del filtro circule a través del elemento de filtrado, a través del núcleo hueco, dentro del área de baja presión, y que luego retorne al sistema. A pesar de que sólo una porción del fluido es filtrada durante cada ciclo, la recirculación constante a través del sistema hará que eventualmente todo el fluido pase a través del elemento filtrante.

Figura: filtro de flujo proporcional.

Filtro en Línea.

Una configuración popular y económica es el filtro en línea de la figura 2-12 que también lleva incluida una válvula de retención, su desventaja consiste en que hay que desmontar la tubería para su mantenimiento.

Algunos circuitos de filtrado.

Los circuitos que veremos a continuación utilizan filtros micrónicos de 10 micrones.

En la línea de presión.

Elementos tipo profundidad : los elementos tipo profundidad obligan al fluido a pasar a través de muchas capas de un material de espesor considerable. La suciedad es atrapada a causa de la trayectoria sinuosa que adopta el fluido.

 

Filtrado hidráulico en la línea de retorno.

El aceite que retorna del sistema puede pasar a través de un filtro cuando se dirige a tanque.

CUIDADO: Cuando seleccione el tamaño de un filtro así , recuerde que el caudal de retorno puede ser mucho mayor que el de la bomba, debido a la diferencia de secciones de ambos lados de los cilindros.

Elementos de tipo superficie : En un elemento filtrante tipo superficie la corriente de fluido tiene una trayectoria de flujo recta, a través de una capa de material. La suciedad es atrapada en la superficie del elemento que está orientada hacia el flujo del fluido.

La tela de alambre y el metal perforado son tipos comunes de materiales usados en los elementos de superficie.

La figura 2-13 vemos un filtro instalado a la salida de la bomba y delante de la válvula reguladora de presión y alivio. Estos filtros deben poseer una estructura que permite resistir la máxima presión del sistema. Por seguridad deben poseer una válvula de retención interna. La máxima perdida de carga recomendada con el elemento limpio es de 5 PSI.

En el retorno por alivio. (ver Fig. 2-15)

En este punto Fig.2-14 puede emplearse un filtro de baja presión. Es una disposición Ideal cuando trabajan válvulas de control de flujo en serie y el caudal de exceso se dirige vía la válvula de alivio permanentemente a tanque. La máxima perdida de carga recomendada es de 2 PSI con el elemento limpio.

Clasificación de filtros hidráulicos

El papel tratado y los materiales sintéticos son medios porosos comúnmente usados en elementos de profundidad.

Papel micrónico. Son de hoja de celulosa tratada y grado de filtración de 5 a 160m. Los que son de hoja plisada aumenta la superficie filtrante.

Filtros de malla de alambre. El elemento filtrante es de malla de un tamiz más o menos grande, normalmente de bronce fosforoso.

Filtros de absorción. Así como el agua es retenida por una esponja, el aceite atraviesa el filtro. Son de algodón, papel y lana de vidrio.

Filtros magnéticos. Son filtros caros y no muy empleados; deben ser estos dimensionados convenientemente para que el aceite circule por ellos lo mas lentamente posible y cuanto mas cerca de los elementos magnéticos mejor, para que atraigan las partículas ferrosas

Además de la clasificación vista arriba, los filtros hidráulicos también se clasifican de otras maneras: absoluto, medio y nominal. La clasificación de filtro absoluta es el diámetro en micrones de la partícula esférica mas grande que pasara a través de un filtro bajo una cierta condición. Esta clasificación es una indicación de la abertura mas grande en el filtro. La clasificación media de filtrado es la medida del tamaño medio de las aberturas en el elemento de filtro. La clasificación de filtrado nominal es usualmente interpretada como el promedio de tamaño de las partículas mas pequeñas de las cuales el 90 por ciento quedará atrapada en el filtro en cada paso a través del mismo.

Figura: Sección transversal de un elemento de filtro hidráulico de acero inoxidable.

Elementos de filtro

Los elementos de filtro generalmente pueden ser divididos en dos clases: de superficie y profundidad. Los filtros de superficie son hechos de tejido de entramado ajustado o papel tratado con un tamaño de poros uniforme. El fluido circula a través de los poros del material de filtro y los contaminantes son detenidos en la superficie del filtro. Este tipo de elemento está diseñado para evitar el paso de una gran cantidad de sólidos es un tamaño específico. Los filtros de profundidad, por otro lado, están compuestos de capas de tejido o fibras que proporcionan muchos pasos tortuosos para que el fluido circule. Los poros o pasajes deben ser mayores que el tamaño fijado para el filtro si las partículas van a ser retenidas en la profundidad del medio,  en vez de ser retenidas sobre la superficie. Consecuentemente  existe una probabilidad estadística de que una partícula  más grande puede pasar a través de un filtro de profundidad.

Los elementos de filtrado pueden ser de tipo de 5 micrones,  malla tejida, micrónicos, metal poroso o del tipo magnético. Los elementos micrónicos y de 5 micrones tienen material de filtro no limpiable y deben ser desechados al ser removidos. Los elementos de filtro de metal poroso, malla tejida y magnéticos son usualmente diseñados para ser limpiados y son reutilizables.

Elementos de filtro de 5 micrones no reutilizables.

El material mas común de filtros de 5 micrones está compuesto de fibras orgánicas e inorgánicas íntegramente adheridas por resina epoxi y emparejadas con una malla metálica corriente arriba y corriente abajo para protección y fuerza mecánica adicional. Los filtros de este tipo no van a ser limpiados bajo ninguna circunstancia y serán etiquetados como Descartables o No Reutilizables o No lavables.

Otro material de filtro de 5 micrones usa capas de fibras de acero inoxidable muy fino colocados en una matriz aleatoria pero controlada.  Los elementos de filtro de este material pueden ser tanto lavables como no lavables, dependiendo de su construcción.

Elementos de filtrado de malla de alambre tejida.

Los filtros de  este tipo están hechos de acero inoxidable y son generalmente clasificados como de 15 a 35 micrones (absolutos). La figura muestra una sección transversal ampliada de un elemento de filtrado de malla de alambre tejida. Este tipo de filtro es reutilizable.

Elemento de filtrado hidráulico micrónico.

El término micrónico deriva de la palabra micrón. El mismo podría ser usado para describir cualquier elemento de filtro, sin embargo, a través del uso, este término se ha asociado con un filtro específico con un elemento de filtrado hecho de papel celuloso especialmente tratado. Ver figura. El filtro mostrado en la figura es un típico filtro hidráulico micrónico. Este filtro está diseñado para remover 99 porciento de todas las partículas de 10 a 20 micrones de diámetro o mas.

Figura: Filtro micrónico

El elemento reemplazable está hecho de espiras especialmente tratadas ( arrugas) para incrementar su capacidad de retención de suciedad. El elemento no es lavable y deberá ser reemplazado con un nuevo elemento de filtro durante las inspecciones de mantenimiento.

Filtros magnéticos

Algunos sistemas hidráulicos tienen filtros magnéticos instalados en puntos estratégicos. Los filtros de este tipo son diseñados especialmente para atrapar cualquier partícula ferrosa que pueda estar en el sistema.

MONTAJE DE LA BOMBA MONTAJE LATERAL POR POLEA O ENGRANAJE ADMISIÓN Y SALIDA DE PRESIÓN TOLERANCIAS EN BOMBAS DE PISTONES Y PALETAS INSPECCIÓN REPARACIÓN Y REARME DE LAS BOMBAS A PALETAS

DESPLAZABLES INSTRUCCIONES DE OPERACIÓN INVERSIÓN DEL SENTIDO DE GIRO BOMBAS DE PISTONES . TOLERANCIAS   TERMINACIONES SUPERFICIALES Bomba "SECO" Bomba Hele-Shaw Bomba Pittler-Thoma . Bomba Oilgear Bombas de pistones esféricos Bombas rotativas de pistones axiales Bomba de Williams-Janney Bomba de embolo buzo axial ("Electráulica" )

CONSIDERACIONES DE INSPECCIÓN Y PUESTA EN MARCHA DE LAS BOMBAS A PISTONES

INVERSIÓN DEL SENTIDO DE GIRO BANCO DE PRUEBAS Y RECEPCIÓN Bomba de engranajes - Motor hidrostático Bomba de engranajes bihelicoidales - helicoidales - internos centrados.

Bomba de lóbulos. Bomba de tornillo . Bomba de paletas desequilibradas y equilibradas.

HIDRÁULICA : Conceptos , mas información aquí .  

BOMBAS

Una bomba  hidráulica es un dispositivo tal que recibiendo energía mecánica de una fuente exterior la transforma en una energía de presión transmisible de un lugar a otro de un sistema hidráulico a través de un líquido cuyas moléculas estén sometidas precisamente a esa presión . Las bombas hidráulicas son los elementos encargados de impulsar el aceite o líquido hidráulico, transformando la energía mecánica rotatoria en energía hidráulica.El propósito de una bomba hidráulica es suministrar un flujo de líquido a un sistema hidráulico. La bomba no crea la presión de sistema, puesto que la presión se puede crear solamente por una resistencia al flujo. Mientras que la bomba proporciona flujo, transmite una fuerza al líquido. Dado que el flujo de líquido encuentra resistencia, esta fuerza se vuelve una presión. La resistencia al flujo es el resultado de una restricción o de una obstrucción en la trayectoria del mismo. Esta restricción es normalmente el trabajo logrado por el sistema hidráulico, pero puede ser también debido a restricciones de líneas, de guarniciones, y de válvulas dentro del sistema. Así, la presión es controlada por la carga impuesta sobre el sistema o la acción de un dispositivo regulador de presión

Una bomba debe tener una fuente continua de líquido disponible en el puerto de entrada para suministrar el líquido al sistema. Dado que la bomba fuerza el líquido a través del puerto de salida, un vacío parcial o un área de baja presión se crea en el puerto de entrada. Cuando la presión en el puerto de entrada de la bomba es más baja que la presión atmosférica local, la presión atmosférica que actúa sobre el líquido en el depósito fuerza el líquido hacia la entrada de bomba. Si la bomba está situada en un nivel más bajo que el depósito, la fuerza de la gravedad complementa a la presión atmosférica sobre el depósito. Los aviones y misiles que funcionan a altas altitudes se equipan con depósitos hidráulicos presurizados para compensar la baja presión atmosférica encontrada en dichas altitudes.

El proceso de transformación de energía se efectúa en dos etapas: aspiración y descarga.

Aspiración

Al comunicarse energía mecánica a la bomba, ésta comienza a girar y con esto se genera una disminución de la presión en la entrada de la bomba, como el depósito de aceite se encuentra sometido a presión atmosférica, se genera entonces una diferencia de presiones lo que provoca la succión y con ello el impulso del aceite hacia la entrada de la bomba.

Descarga

Al entrar aceite, la bomba lo toma y lo traslada hasta la salida y se asegura por la forma constructiva que el fluido no retroceda. Dado esto, el fluido no encontrará mas alternativa que ingresar al sistema que es donde se encuentra espacio disponible, consiguiéndose así la descarga.

Las bombas son clasificadas normalmente por su salida volumétrica y presión. La salida volumétrica es la cantidad de líquido que una bomba puede entregar a su puerto de salida en cierto periodo de tiempo a una velocidad dada. La salida volumétrica se expresa generalmente en galones por el minuto (gpm). Dado que los cambios en la salida volumétrica afectan la velocidad de la bomba, algunas bombas son clasificadas por su desplazamiento. El desplazamiento de la bomba es la cantidad de líquido que la bomba puede entregar por ciclo. Puesto que la mayoría de las bombas utilizan una impulsión rotatoria, el desplazamiento se expresa generalmente en términos de pulgadas cúbicas por revolución.

Clasificación de las Bombas

Cilindrada :

Se refiere al volumen de aceite que la bomba puede entregar en cada revolución.

Donde:

D = Diámetro mayor del engranaje

d = Diámetro menor del engranaje

l = Ancho del engranaje

Unidades: cm3/rev

Caudal Teórico :

Es el caudal que de acuerdo al diseño, debiera entregar la bomba (caudal Ideal)

Donde:

C = Cilindrada (cm3/rev)

N = Rpm (1/rev)

Rendimiento Volumétrico :

Donde:

QR = Caudal Real

QT = Caudal Teórico

Bombas de desplazamiento positivo:

Como indicamos previamente, una bomba no crea presión. Sin embargo, la presión desarrollada por las restricciones en el sistema es un factor que afecta a la salida volumétrica de la bomba. Mientras que la presión del sistema aumenta, la salida volumétrica disminuye. Esta caída en la salida volumétrica es el resultado de un aumento en la cantidad de pérdidas internas del lado de salida hacia el lado de la entrada de la bomba. Esta pérdida se identifica como resbalamiento de la bomba y es un factor que se debe considerar en todas las bombas. Esto explica porqué la mayoría de las bombas son clasificadas en términos de salida volumétrica en una presión dada.

Muchos y diversos métodos se utilizan para clasificar las bombas. Los términos tales como desplazamiento no positivo, desplazamiento positivo, desplazamiento fijo, salida volumétrica fija, volumen de caudal variable, volumen constante, y otros se utilizan para describir las bombas. Los primeros dos de estos términos describen la división fundamental de las bombas; es decir, todas las bombas son o de desplazamiento no positivo o desplazamiento positivo.

Básicamente, se refiere a las bombas que descargan el líquido en un flujo

continuo como de desplazamiento no positivo, y las que descarguen volúmenes separados por un período de no descarga se refieren como de desplazamiento positivo.

Aunque la bomba de desplazamiento no positivo produzca normalmente un flujo continuo, no proporciona un sello positivo contra el resbalamiento; por lo tanto, la salida de la bomba varía mientras que la presión de sistema varía. Es decir, el volumen de líquido entregado para cada ciclo depende de la resistencia al flujo. Este tipo de bomba produce una fuerza en el líquido que es constante para cada velocidad particular de la bomba. La resistencia en la línea de descarga produce una fuerza en una dirección opuesta a la dirección de la fuerza producida por la bomba. Cuando estas fuerzas son iguales, el líquido está en un estado del equilibrio y no fluye.

Si la salida de una bomba de desplazamiento no positivo es totalmente cerrada, la presión de descarga aumentará al máximo para esa bomba particular a una velocidad específica. Nada más sucederá, excepto que la bomba quemará el líquido y producirá calor.

En contraste con la bomba de desplazamiento no positivo, la bomba de desplazamiento positivo proporciona un sello interno positivo contra el resbalamiento. Por lo tanto, este tipo de bomba entrega un volumen definido de líquido para cada ciclo de operación de la bomba, sin importar la resistencia ofrecida, suponiendo que la capacidad de la unidad de potencia que impulsa la bomba no sea excedida.

Si la salida de una bomba de desplazamiento positivo fuera totalmente cerrada, la presión aumentaría instantáneamente al punto en el cual la unidad que impulsa la bomba se atascaría o algo se rompería.

Gracias al movimiento cíclico constante de su parte móvil, una bomba de desplazamiento positivo es capaz de entregar un caudal constante de líquido y soportar (dentro de sus límites) cualquier presión que se requiera.

En otras palabras, una bomba de desplazamiento positivo genera caudal, pero a alta presión.

Una bomba de desplazamiento positivo consiste básicamente de una parte móvil alojada dentro de una carcasa. La bomba mostrada en la figura tiene un émbolo como parte móvil. El eje del émbolo está conectado a una máquina de potencia motriz capaz de producir un movimiento alternativo constante del émbolo. El puerto de entrada está conectado al depósito, en los puertos de entrada y salida, una bola permite que el líquido fluya en un solo sentido a través de la carcasa. Estas bombas las constituyen las del tipo oleohidráulico, es decir, bombas que además de generar el caudal, lo desplazan al sistema obligándolo a trabajar, este fenómeno se mantiene aún a elevadas presiones de funcionamiento.

 

Las bombas pueden clasificarse además dependiendo de la forma en que se desplaza la parte móvil de éstas; si el desplazamiento es rectilíneo y alternado, entonces se llamarán oscilantes, y si el elemento móvil gira se llamarán rotativas.

Las bombas de desplazamiento positivo se vuelven a subdividir como de desplazamiento fijo o volumétrico. La bomba de desplazamiento fijo entrega la misma cantidad de líquido en cada ciclo. El volumen de la salida puede ser cambiado solamente cambiando la velocidad de la bomba. Cuando una bomba de este tipo se utiliza en un sistema hidráulico, un regulador de presión (válvula de descarga) se debe incorporar en el sistema. Un regulador de presión o una válvula de descarga se utilizan en un sistema hidráulico para controlar la cantidad de presión en el sistema y para descargar o para aliviar la bomba cuando se alcanza la presión deseada. Esta acción de un regulador de presión evita que la bomba trabaje contra una carga cuando el sistema hidráulico está a presión máxima y sin funcionamiento. Durante este tiempo el regulador de presión puentea el líquido de la bomba de nuevo al depósito. La bomba continúa entregando un volumen fijo de líquido durante cada ciclo. Los términos tales como entrega fija, entrega constante, y volumen constante son todos utilizados para identificar la bomba de desplazamiento fijo.

La bomba volumétrica se construye para poder variar el desplazamiento por ciclo. El desplazamiento se varía mediante el uso de un dispositivo de control interno.

Las bombas se pueden también clasificar según el diseño específico usado para crear el flujo de líquido. Prácticamente todas las bombas hidráulicas caen dentro de la clasificación de tres diseños: centrífugas, rotativas, y alternativas. El uso de bombas centrífugas en hidráulica es limitado.

Se dice que una bomba es de desplazamiento No positivo cuando su órgano propulsar no contiene elementos móviles; es decir, que es de una sola pieza, o de varias ensambladas en una sola.

A este caso pertenecen las bombas centrífugas, cuyo elemento propulsor es el rodete giratorio. En este tipo de bombas, se transforma la energía mecánica recibida en energía hidro-cinética  imprimiendo a las partículas cambios en la proyección de sus trayectorias y en la dirección de sus velocidades. Es muy importante en este tipo de bombas que la descarga de las mismas no tenga contrapresión pues si la hubiera, dado que la misma regula la descarga  , en el caso límite que la descarga de la bomba estuviera totalmente cerrada, la misma seguiría en movimiento NO generando caudal alguno trabajando no obstante a plena carga con el máximo consumo de fuerza matriz .

Por las características señaladas, en los sistemas hidráulicos de transmisión hidrostática de potencia hidráulica  NUNCA se emplean bombas de desplazamiento NO positivo.

Se dice que una bomba es de desplazamiento positivo, cuando su órgano propulsor contiene elementos móviles de modo tal que por cada revolución se genera de manera positiva un volumen dado o cilindrada, independientemente de la contrapresión a la salida. En este tipo de bombas la energía mecánica recibida se transforma directamente en energía de presión que se transmite hidrostáticamente en el sistema hidráulico.

En las bombas de desplazamiento positivo siempre debe permanecer la descarga abierta, pues a medida que la misma se obstruya, aumenta la presión en el circuito  hasta alcanzar valores que pueden ocasionar la rotura de la bomba; por tal causal siempre  se debe colocar inmediatamente a la salida de la bomba una válvula de alivio o de seguridad. con una descarga a tanque y con registro de presión.

BOMBAS ROTATIVAS

Todas las bombas rotativas tienen piezas de rotación que atrapan el líquido en el puerto de la entrada (succión) y lo impulsan a través del puerto de descarga dentro del sistema. Los engranajes, los tornillos, los lóbulos, y las paletas son usados generalmente para mover el líquido. Las bombas rotativas son de desplazamiento positivo del tipo de desplazamiento fijo.

Las bombas rotativas se diseñan con separaciones muy pequeñas entre las piezas de rotación y las piezas inmóviles, para reducir al mínimo el resbalamiento desde el lado de descarga hacia el lado de succión. Se diseñan para funcionar a las velocidades relativamente moderadas. El funcionamiento a velocidades elevadas causa erosión y desgaste excesivo que da lugar a separaciones crecientes.

Hay numerosos tipos de bombas rotativas y varios métodos de clasificación. Pueden ser clasificadas por la posición del eje - montaje vertical u horizontal - ; el tipo de motor de impulsión - eléctrico, motor de gasolina, y así sucesivamente - ; nombre de su fabricante; o su uso de servicio. Sin embargo, la clasificación de bombas rotatorias se hace generalmente según el tipo de elemento giratorio. Algunos de los tipos más comunes de bombas rotativas se discuten en las páginas siguientes.

MONTAJE DE LA BOMBA. TRANSMISIONES HIDROSTÁTICAS.

Para empezar a comprender las unidades de transmisión hidrostática, comencemos observando los diversos tipos y configuraciones de transmisiones hidrostáticas.

El primer tipo es un sistema hidrostático que consiste en una bomba con un motor instalado remotamente. Según vemos en la figura siguiente :

En este tipo de sistema hidrostático la bomba hidrostática se instala junto al motor de las unidades y es impulsada por éste. La bomba está conectada al motor de impulsión hidráulica mediante mangueras y tuberías de acero. Estos motores de impulsión hidráulica se pueden instalar directamente en las ruedas o en el eje de transmisión.

Otro tipo de sistema de transmisión hidrostática es el sistema de bomba y motor en línea.

En este sistema el motor y la bomba están construidos como unidad única, lo que elimina la necesidad de tuberías o mangueras de transmisión de fluidos de alta presión entre la bomba y el motor. Esta unidad se instala generalmente en un eje de transmisión o transaxle.

Cuando una bomba es movida en forma directa mediante un motor eléctrico con otros medios, es necesaria acoplar los ejes mediante un manchón elástico .

La acción del manchón o acoplamiento elástico permite corregir desviaciones angulares y axiales como las indicadas en las Fig. 2.2  y  2.3 que de no eliminarse , significaría someter a los rodamientos de la bomba a una sobrecarga para la cual no han sido originalmente calculados , provocando su desgaste prematuro.

    

MONTAJE LATERAL POR POLEA O ENGRANAJE O TRANSMISIÓN EN "U".

Una versión similar es la transmisión en U . Cuando es necesario disponer de un montaje lateral del motor con respecto a la bomba, la transmisión puede ser realizada por engranajes , cadena o correa pero en todos los casos esta disposición significaría una carga extra para los rodamientos de la bomba.

En este tipo de sistema la bomba y el motor se construyen como un componente común, ubicándose la bomba por lo general encima del motor.

El sistema hidrostático en U es más compacto mientras el sistema hidrostático en línea es por lo general más fácil de reparar y mantener.

Algunas bombas vienen preparadas para soportar estas cargas adicionales y otras no. Cuando están construidas para este tipo de montaje, presentan en su interior un rodamiento extra ubicado en el frente de la carcaza 

Cuando su efectúa, verifica o corrige un montaje lateral como el de la Fig. 2.4, debe tratarse que la distancia entra el motor y la bomba sean la mínimas posible a los efectos de minimizar las cargas sobre el eje de esta última .

Las bombas que no disponen de este rodamiento extra para el montaje que describimos, pueden ser utilizadas, si se provee una disposición como la que muestra la Fig. nro. 2.5  donde el motor transmite el movimiento sobre un eje con rodamiento y este queda acoplado a la bomba mediante un manchón elástico . Este eje soporta, con sus rodamientos la carga extra.

     

Una cuidadosa inspección de los rodamientos de las bombas en funcionamiento permitirá detectar en forma inequívoca vicios de montaje que como hemos visto son de fácil solución , y redundan en una mayor vida útil de la bomba. 

Los tres sistemas funcionan bien en sus aplicaciones de diseño. El diseño del motor remoto funciona bien cuando no hay transmisión, o cuando la ubicación del motor y del sistema de transmisión exige tal configuración.

ADMISIÓN Y SALIDA DE PRESIÓN

En la mayoría de las bombas la sección del orificio de admisión es mayor que el de presión, esta regla casi y en general queda alterada en las bombas de giro bi-direccional donde ambos orificios presentan el mismo diámetro.

La razón de las diferencias de diámetros anotada, queda justificada por la necesidad de ingreso de aceite a la bomba al valor más bajo posible ( máximo 1,20 metros por segundo) quedará como consecuencia una mínimas pérdidas de carga , evitándose de esta forma el peligro de la cavitación

En ningún caso debe disminuirse por razones de instalación o reparación el diámetro nominal de esta conexión que invariablemente esta dirigida al deposito o tanque como así también mantener la altura entre el nivel mínimo de aceite de este último y la entrada en el cuerpo de la bomba (Ver Fig. 2.6) de acuerdo a la indicado por el fabricante. Para las bombas a engranajes, paletas y pistones sin válvulas, los fabricantes dan valores de succión del orden de los 4 a 5 pulgadas de mercurio cuando ellas operan con aceites minerales , disminuyendo este valor a 3 pulgadas de mercurio cuando las bombas operan con fluidos sintéticos .

En general podemos decir que la distancia h de la Fig. 2.6. no debe superar nunca los 80 centímetros.

Las bombas de pistones con igual válvula de admisión y salida no proveen una succión suficiente para elevar el aceite y funcionar sin cavitación por ello se recurre al llenado o alimentación por gravedad como vemos en la Fig. 2.7.

La observación de lo anotado permitirá el funcionamiento correcto de las bombas instaladas asegurando su eficiencia, mediante una aspiración  correcta y  preservando la vida útil de las mismas al limitar las posibilidades de la cavitación por una altura a excesiva o una sección de aspiración menor es la indicada.

Uno de los problemas que frecuentemente se presentan, es la aspiración de aire por parte de la bomba, teniendo por consecuencia un funcionamiento deficiente , perdida de presión, excesivo desgaste y funcionamiento sumamente ruidoso.

Afortunadamente los puntos por los cuales puede ingresar aire a la bomba están perfectamente localizados. Consideraremos ahora los que se encuentran entre la bomba propiamente dicha y el tanque.

 

En la Fig. 2.8 observamos una disposición corriente de una tubería de succión  en ella cada conexión de accesorio es decir 1, 2 , 3 y 4 presenta un camino propicio para el ingreso de aire si bien esta tubería no soporta presión, el empaquetado de

los accesorios y conexiones señaladas, debe efectuarse con extremo cuidado para impedir que , por succión de la bomba , se introduzca aire.

Cuando la tubería de succión se acopla a la bomba mediante una brida A es necesario prestar especial atención al aro sello o  junta existente entre la brida y el cuerpo de la bomba, ya que su estado determinará la posibilidad de ingresa de aire.

Un método que si bien es poco ortodoxo resulta rápido y eficiente para el estado de los puntos A, 1 ,2 ,3 y  4 o similares, es aplicar mediante un pincel espuma obtenida con agua y detergente. Una rápida aparición de las burbujas nos indicará el sitio exacto por donde se incorpora aire al circuito.

El extremo de la tubería de succión termina en el tanque, a través de una coladera o totalmente libre, según el caso, pero en ambos su ubicación debe quedar 2 pulgadas por debajo del nivel mínimo del tanque, eliminando de esta forma, la última  posibilidad de ingreso de aire.

TOLERANCIAS EN BOMBAS DE PISTONES Y PALETAS

Si bien es muy poco probable que en razón del mantenimiento, se intente la fabricación de algún de una bomba, considero importante señalar sus principales características constructivas y tolerancias dimensionales.

Para ello comenzaremos por la que puede ser considerada la mas difundidas de las bombas en el sector industrial argentino  ,  es decir la bomba de paletas un aro ovoide.

En la Fig.  2.9 observamos un corte de este  tipo de bomba fabricada por  la firma VICKERS , con sus partes identificadas consideremos ahora aquellas que tienen un movimiento relativo entre sí como la muestra la Fig. 2.10 este conjunto denominado " cartucho de recambio"  que puede ser adquirido para cada modelo de bomba, permite su reacondicionamiento total .

 

 

Las platinas laterales realizadas en bronce fosforoso y la holgura que presentan con respecto al rotor y paletas es de 0,015 o 0,020 una de cada lado.

La pista realizada en acero al Cr o WGKL, SAE 52100, es comentado y templado y se encuentra rectificada interiormente con una rugosidad no mayor a 5 micro pulgadas

El rotor de acero al Cr o Mo o SAE 3312 tiene las superficies de las ranuras, cementadas templadas y rectificadas. 

Las paletas a plaquitas están realizadas en acero rápido y sus caras y flancos están rectificados existiendo una holgura entre ellas y su ranura de alojamiento no mayor de 0,010 mm

El eje de mando es de acero SAE 3135. El conjunto mencionado es fijado el cuerpo de la bomba mediante una espina de Acero Plata que atraviesa  la pista y ambos platinos  posicionando estos elementos con respecto a los rayos del cuerpo.

Durante la rotación del rotor, las paletas se aplican al perfil interior de la pista esencialmente por la acción de la fuerza centrífuga y luego por la acción conjunta de esta y la presión del aceite que llega por las derivaciones de las ventanas 5 y 7 de la Fig. 2.11.

El perfil interior de la pista esta formado entre las ventanas 5 , 6,  7 y 8 de las platinas por los arcos de circulo que tiene por centro el del rotor conforman da sectores de 24º cada uno.

Las zonas de perfil correspondiente a las ventana 5,6,7 y 8 es decir  sobre las cuales se producen la aspiración y salida, están trazadas con los centros desplazados con relación al centro del rotor gracias a la cual se obtiene una curva que permita un caudal proporcional al ángulo de rotación del rotor 4 .

Debido a la conformación del perfil de la pista las paletas entran y salen del rotor dos veces por vuelta aspirando por 6 y 8 y enviando aceite por 5 y 7 puesta que estas últimas son diametralmente opuestas, las presiones hidráulicas sobre el rotor sé equilibran mutuamente

Conviene señalar que las ranuras del rotor no son radiales sino que tienen una leve inclinación alfa de 3º a 14º  para aumentar su longitud y consecuentemente el guiado de la paleta# sin débil¡ ter excesivamente el rotar.

El caudal teórico de este tipo de bombas puede calcularse mediante la si formula

La diferencia R - r determina la altura h de la paleta, que en la práctica es igual al 40% de su altura total.

El número de R.P.M. máxima así  como la anchura máxima "B" del rotor, están limitados por la cantidad de aceite que puede ser aspirado por las ventanas 6 y 8. De donde surge que el caudal de la bomba no puede ser aumentado, sino que se cuenta la sección de las ventanas de aspiración, la que lleva aparejado un nuevo trazado del rotor y pista,

INSPECCIÓN REPARACIÓN Y REARME DE LAS BOMBAS A PALETAS DESPLAZABLES

a) Lavar todas las partes excepto arosellos  , juntas y empaquetaduras. En un líquido limpio y compatible, depositar las piezas en una superficie limpia y libre de impurezas para su  inspección , se recomienda el reemplazo de arosello juntas y empaquetaduras en cada revisión

b) Las paletas gastadas en el borde que están en contacto con la pista pueden revestirse permitiendo ello su nueva utilización.

c) Si la superficie interna de la pista  presenta severas ralladuras, estriados transversales o escalones esta debe ser reemplazada, En el caso de ralladuras no transversales y de escasa profundidad ( es decir superficiales) la pista puede ser reutilizada, mediante un lapidado interior que no altera. substancialmente su trazado original.

d) Un excesivo juego entre el estriado del eje y el rotor, como así  también entre las ranuras de este y las paletas demandan el reemplazo del rotor .

e) Si las caras internas de las platinas es encuentran ligeramente ralladas pueden ser remaquinadas prolongando así su empleo, Si las ralladuras que presentan son profundas o si el orificio central se encuentra muy rayado o desgastado, debe procederse al reemplazo de las platinas,

f) Los rodamientos , tornillos ,  tapones , espinas , separadores que indiquen un daño o excesivo desgaste deben ser reemplazados.

9) Después de la inspección y antes del rearmado cada parte debe ser sumergida en aceite hidráulico limpio de la misma calidad y marca del empleado en el equipo. 

INSTRUCCIONES DE OPERACIÓN

a) Antes de poner en marcha la bomba:

1) Controlar la libertad de movimiento de las partes internas haciendo girar el eje con la mano. No poner en marcha cuando hay evidencias de que existe algo que frene el libre giro 

2) Si la bomba es nueva o reconstruida tener la certeza que este armada con propiedad. Controlar cuidadosamente el sentido de giros , el eje de alineamiento , el valor  de la válvula de alivio y el nivel de aceite.

b) Puesta en marcha de la bomba .

1) Poner en marcha la bomba , mediante impulsos cortos de corriente al motor en una rápida sucesión de tal forma que la velocidad normal de giro sea alcanzada paulatinamente. Esto permite a la bomba su cebado interno, mientras la velocidad llega a su nivel normal, esta velocidad no debe ser mucho menor de la mínima recomendada, ya que es necesario la fuerza centrífuga adecuada para hacer salir las paletas y ponerlas en contacto con la pistas.

2) Si la bomba es nueva o reacondicionada debe ser puesta en marcha bajo condiciones desde el primer momento de tal forma que exista una contrapresión que asegure la lubricación interna. Una vez que la bomba arranca no deben ser tenidas en cuentas las condiciones de presión anotadas.

INVERSIÓN DEL SENTIDO DE GIRO

Las bombas de paletas desplazables en aros ovoides permiten la inversión del sentido de giro, pero ello implica el reordenamiento de sus partes internas a los efectos de conservar a pesar de la inversión mencionada, su succión y salida invariables.

Los cambios a realizar en el interior de la bomba consisten simplemente en girar 90° el conjunto platinas y pista con respecto al cuerpo de la bomba tal como la observamos en la Fig. 2.12 .

Este cambio puede realizarse con la bomba montada ya que para efectuarlo, basta retirar la tapa posterior de la misma . 

En la Fig.2.13 observamos el desplazo de una bomba Vickers, y en la Fig.2.14 la disposición interna de los conjuntos platillos , rotor y pista, en una bomba doble de la misma marca, para distintos sentidos de giros.

Si bien la vida útil de las bombas de paletas es prolongada, cuando se las emplea

dentro de los límites señalados por cada fabricantes una inspección cada  2.500 horas de servicio, permitirá prevenir daños que demandan costas de reparación a reemplaza elevados.

Una de los problemas no considerados que suele presentarse con más asiduidad un este tipo de bombas, cuando ellas permanecen detenidas por largos  períodos es el pegado de las paletas dentro de sus ranuras de alojamiento, Esta adherencia se debe a las lacas que son productos de la oxidación del aceite, en consecuencia, en tales condiciones la bomba al ser puesta en marcha no entrega caudal alguno .

Debe procederse a abrir y lavar con solventes limpias el conjunto pista,  rotor y paletas,  verificando que estas últimas se deslicen con libertad en sus alojamientos procediendo luego al rearme en las condiciones ya especificadas.

Este procedimiento debe ser aplicado a toda bomba instalada a no, que haya permanecido un largo periodo inactiva.

BOMBAS ALTERNATIVAS

El término alternativo se define como movimiento hacia atrás y hacia adelante. En la bomba alternativa es este movimiento hacia atrás y hacia adelante de los pistones dentro de los cilindros lo que proporciona el flujo de líquido. Las bombas alternativas, como las bombas rotativas, funcionan sobre el principio positivo, o sea que en cada empuje entregan un volumen definido de líquido al sistema.

El cilindro maestro del sistema de frenos del automóvil, es un ejemplo de una bomba de intercambio simple. Varios tipos de bombas hidráulicas eléctricas, tales como las de pistón radial y pistón axial, también se clasifican como bombas alternativas. Estas bombas se clasifican a veces como bombas rotativas, porque un movimiento de rotación es impartido a las mismas por la fuente de energía. Sin embargo, el bombeo real es realizado por los sistemas de pistones alternativos dentro de juegos de cilindros.

BOMBAS DE PISTONES .

Un motor hidrostático consta de una bomba hidrostática, que bombea aceite al motor de impulsión.

El componente más importante del sistema hidrostático es la bomba, que corresponde a una bomba de desplazamiento variable. Esto significa que el flujo de salida de la bomba se puede modificar y no sólo está controlada por las RPM del motor como la bomba de desplazamiento fijo. Para esto se debe utilizar una bomba de pistones.

Estas bombas diseñadas para presiones de servicio más elevadas que las anteriormente mencionadas, presentan una gran variedad constructiva.

Una clasificación genérica nos presenta el siguiente esquema:

BOMBAS DE PISTONES

Bombas de pistones en línea CAUDAL FIJO ÚNICAMENTE

Bombas de pistones axiales. Bombas de pistones  radiales.

CAUDAL  FIJO VARIABLE

A pesar de la variedad señalada, los altos niveles de presión operativa (hasta 700 kg/cm2) dan características de materiales, aleaciones, y tolerancias comunes a todas ellas a saber:

ROTOR: Bronces fosforosos y una función con la siguiente composición: 3,2% C, 1% Mn , 0.26% P, 1.75% Si , 0.085% Cr, 0.06% Ni, con dureza HB = 200.

PISTONES,- Acero Cr -Ni de cimentación, cementado y templado,

EJE DE DISTRIBUCIÓN.- Acero Cr, - Ni, de cementación

PISTAS = Acero de rodamientos templado.

TOLERANCIAS :

e) Holgura entra pistón y cilindro no mayor de 0,005 a 0,008 mm.

b) Ovalización máxima admitida en los pistones 0,005 mm,

c) Ovalización máxima del alojamiento 0,01 mm.

TERMINACIONES SUPERFICIALES

Los pistones y sus alojamientos son rodados, es decir están sometidos a un tratamiento de terminación superficial por arranque de material, este proceso que en frases lleva el nombre de " Rodage a la pierre " y en inglés " Nonius " no tiene denominación en castellano, y difiere del superacabado y del lapidado.

Bombas rotativas de pistones radiales de caudal fijo.

Este tipo de bombas tiene tantas variantes en la actualidad, que un estudio detenido de cada uno de ellas escaparía a los alcances de esta información . Por tal motivo, nos detendremos solamente en las más conocidas .

En este tipo de bombas, existen dos clases fundamentales: de caudal fijo y de caudal variable. Estas ultimas serán analizadas mas adelante.

Las bombas hidráulicas rotativas de pistones radiales, pueden clasificarse en general según sus válvulas sean de asiento o rotativas. Como hemos visto anteriormente ,  las bombas multicilíndricas de pistones en línea tienen invariablemente sus válvulas de asiento. En las bombas radiales, los asientos pueden ser de válvulas de bola, de platillo o de asiento cónico.

Si los cilindros giran, las válvulas son de tipo rotativo o "deslizante" y son hermetizadas por una película de aceite entre las superficies móviles y estacionarias.

Las bombas que poseen válvulas rotativas son algo diferentes que las que poseen válvulas de asiento, siendo inevitable cierto resbalamiento a presiones altas, debido a la fuga de aceite a través del juego en las válvulas. Además las presiones de trabajo de las bombas de válvulas rotativas se hallan limitadas con el fin de mantener altas eficiencias volumétricas a una presión constante y además por el riesgo , de "agarrotamiento " de las válvulas bajo la acción de cargas excesivas. Por tal razón las bombas de muy alta presión tienen válvulas de asiento, por lo que sus pistones no giran , y esta es la disposición clásica de las bombas de caudal fijo, o sea, de suministro constante. Las bombas alternativas de descarga constante comprenden tipos de pistones radiales con cilindros estacionarios que veremos a continuación , bombas de pistones axiales con cilindros estacionarlos, que veremos más adelante  y bombas de pistones en línea, que ya hemos visto ; todas estas válvulas de asiento. 

El mecanismo de bombeo de la bomba de pistones radiales consiste en un barril de cilindros, pistones, un anillo y una válvula de bloqueo.

Este mecanismo es muy similar al de una bomba de paletas, sólo que en vez de usar paletas deslizantes se usan pistones.

El barril de cilindros que aloja los pistones está excéntrico al anillo. Conforme el barril de cilindros gira, se forma un volumen creciente dentro del barril durante la mitad de la revolución, en la otra mitad, se forma un volumen decreciente. El fluido entra y sale de la bomba a través de la válvula de bloqueo que está en el centro de la bomba.

Con las bombas de alta velocidad, de pistones radiales con válvulas de asiento, se obtienen eficiencias volumétricas sumamente altas, a valores de un 98%. Por lo general cada cilindro o cualquier otra cámara en la bomba es pequeño en relación bloque de acero que la rodea, y los pistones están tan pulidos que se adaptan: a los cilindros sin necesidad de empaquetadura alguna .

Naturalmente que en esta juega un rol fundamental la viscosidad del aceite por lo que en los sistemas hidráulicos que emplean este tipo de bombas la temperatura del sistema debe estar siempre lo mas baja y constante posible.

La descarga de cada cilindro adopta la forma de pequeñas pulsaciones de muy alta frecuencia 

Bomba "SECO".

Esta bomba es mostrada en corte en la figura Nº 2.16 

Consta de un cuerpo de acero, en el cual van alojadas las válvulas de asiento de bola. La de admisión, que naturalmente es mas grande que la de impulsión va alojada en sentido radial dentro de un casquillo hueco que tiene un asiento plano que desliza sobre las caras hexagonales de un dado central, que asienta sobre un cojinete muy robusto de rodillos que va montado sobre un eje con una leva excéntrica central circular maquínada sobre el mismo eje de entrada ,que es el mando de la bomba y que está conectado con un manguito a un motor eléctrico.

 

El casquillo mencionado, es en realidad un embolo hueco, retorna por la acción de un resorte contenido en la tapa del cilindro que es del tipo atornillable En forma axial , van dispuestos las cámaras de impulsión que tienen sus válvulas de asiento de bola bloqueadas contra su asiento por medio de un resorte. Son en realidad válvulas de retención . La salida se recoge en una tapa colectara frontal.

Este tipo de bomba permite el logro de muy altas presiones , del orden de 5.000 libras por pulgada cuadrada .

Como la admisión a los cilindros se opera por la parte central de la bomba, donde se encuentra alojado el eje excéntrico con sus correspondientes rulemanes ,la lubricación de todas las partes móviles y deslizantes de la bomba se encuentran permanentemente lubricadas por el mismo aceite hidráulico. Demás está decir por razones de lubricación, que estas bombas utilizan exclusivamente aceite hidráulico. Con agua se destruirían a los pocos minutos de funcionamiento.

Bombas rotativas de pistones radiales de caudal variable.

 

El rotor giratorio lleva alojado en su interior a manera de eje el distribuidor y colector de caudal (pintle) esencialmente un eje estacionario que lleva agujeros en su interior que se conectan por medio de toberas con las diferentes cámaras de aspiración y de impulsión . De hecho esta forma un sistema de válvulas rotativa deslizante¡ y este sistema es característico de las bombas rotativas de pistones radiales o en "estrella " de caudal variable .

Gracias a un número relativamente elevado de pistones y a su corta carrera, las pulsaciones del caudal son enteramente despreciables. La presión de salida de estas bombas está limitada principalmente por las reacciones sobre los cojinetes , que llegan a ser muy importantes con presiones elevadas.

Bomba Hele-Shaw

Las bombas de descarga variable son vastamente empleadas , y ellas están construidas de acuerdo con los principios , establecidos hace muchos años - hacia 1908 - por el iniciador de este tipo de diseño, el Dr. Hele-Shaw que comenzó a construirlas en Inglaterra . Fue la primera bomba que utilizó válvulas rotativas o deslizantes en las que debe procurarse a toda costa mantener una estanqueidad contra la alta presión mediante una película de aceite entre las superficies rozantes. De esta manera no solo proporcionan un suministro de caudal infinitamente variable desde cero hasta un máximo, sino que también son reversibles, como ya se ha dicho. 

El resbalamiento, o fugas de aceite  por las válvulas rotativas o deslízantes. aumenta considerablemente a presiones altas, y si las cargas son excesivas se hace presente el riesgo de agarrotamientos que puede dañar seriamente a la bomba. Por  tal causa, esta bomba no trabaja a presiones mayores de 140 atmósferas. De bombas de este tipo se construyen en un vasto rango de capacidades , con potencias elevadas como 200 HP . 

Las bombas Hele-Shaw de tamaño grande trabajan a velocidades del orden de 500 r.p.m. y las pequeñas a velocidades de 1500 r.p.m. .

En la figura 2.18 se ilustra una unidad de este tipo  .

En el cuerpo del cilindro A se hallan fundidos formando una sola pieza un cierto número de cilindros radiales . Dicho cuerpo se encuentra soportando por sendos cojinetes a bolas B y C, conectado el árbol de mando D. Este cuerpo gira alrededor de la válvula central fija E, que contiene las lumbreras X e Y cada una de las cuales conduce al ramal de admisión o de descarga de aceite, que son F y G respectivamente.

El juego entra el cuerpo de los cilindros (rotor) y la válvula central está ocupado por una película de aceite que actúa como un sello. Cada pistón H está conectado a dos cojinetes J por medio de un perno de pistón K sobra el que puede oscilar .

Los cojinetes están alojados en ranuras practicadas en el anillo flotante L, que gira sobre los rulemanes a bolas M y N .Estos están alojados sobre las guías O, que es deslizan libremente entra las caras paralelas maquinadas dentro de las tapas  . De esta manera, el anillo flotante L gira cuando lo hace el cuerpo del cilindro , y el eje de rotación depende de la posición de los cojinetes de bolas M y N, determinado por el recorrido de las guías O . 

 

Cada diagrama corresponde a una sección realizada a través de la válvula fija central por un plano que pasa por los ejes de los cilindros..

Las lumbreras X e Y, cada una de las cuales está en este caso por duplicado, comunican con los cilindros a través de ranuras practicadas en la cara de la clavija central o válvula.- La figura (a) representa el estado en el que el eje de rotación del perno de pistón coincide con el eje de la clavija, cuando las guías O están a mitad de su recorrido. En dicha posición, la rotación del cilindro no causa el movimiento radial de los pistones y no se produce suministro de aceite en ninguna de ambas direcciones. El movimiento de las guías O se representa por el desplazamiento  del elemento rotativo sobre la línea PQ. El desplazamiento hacia P figura (b) causa  la excentricidad de la rotación de los pistones alrededor del cuerpo del cilindro, de la manera que el aceite se encuentra aspirado por la lumbrera X y descargado por la lumbrera Y.

Por otra parte, el desplazamiento hacia Q que se aprecia en la figura (c), invierte el sentido del flujo, de manera que el aceite es aspirado de Y y descargado, por la lumbrera K. La variación de la excentricidad varía el volumen suministrado en ambas direcciones.

En esta bomba, como en todas las que tienen válvulas rotativas o deslizantes el factor de frotamiento entre las superficies de frotamiento crece con n (número de vueltas) y la potencia perdida en rozamientos crece con n^(3/2) .

Bomba Pittler-Thoma.

Esta bomba de manufactura alemana, tiene el mismo principia de funcionamiento qua la Hele-Shaw difiriendo de esta en detalles constructivos.

En esta bomba, los pistones tienen alojados en sus cabezas exteriores un. perno sobre el que rota libremente un pequeño rulemán a bolillas, el cual rueda sobre la cara interior del aro de regulación de caudales, cuya movimiento de registro en algunos modelos es de comando manual, como se muestra en la figura nro. 2.20. En otros modelos el registro se opera automáticamente por la presión de sistema hidráulico , con servo-dispositivos adecuados.

Bomba Oilgear.

Esta bomba de manufactura americana es posiblemente en la actualidad la bomba de pistones radiales de caudal variable mas completa, y también

más costosa. Si bien es cierto que su principio fundamental de funcionamiento es idéntico a las anteriores, difiere considerablemente en sus características constructivas.

En este caso, los pistones radiales de la bomba, en lugar de tener muñequillas, patines o rulemanes en sus cabezas para asegurar un contacto con la pista interior del aro de registro, terminan sus cabezas en superficies esféricas , que, como se ve en la figura nro.  2.21 , se apoyan en una pista de acero templado T, diseñada de tal forma que el punto de contacto se halla descentrado del eje del cilindro. El movimiento circunferencial relativo se obtiene mediante la rotación parcial de los pistones, que giran dentro de su alojamiento cilíndrico al mismo tiempo que todo el conjunto gira alrededor del eje de rotación de la bomba. Utilizando dos grupos de pistones en dos planos separados normales al eje de la bomba , los empujes laterales paralelos al eje del árbol se equilibran entre sí.

 

Esta bomba viene provista de diversos accesorios de fábrica, que permiten, según el pedido del cliente ser operadas común a dos etapas de presión, tener comando del registro de caudal por sistema de mando manual, eléctrico, automático o por piloto hidráulico.

Los fabricantes producen esta unidad para un rango de presiones de 60 , 120 y 175 atu con capacidades de hasta 150 HP.

Para igualdad de caudales esta bomba es de un más reducido tamaño que la Hele-Shaw.

Bombas de pistones esféricos

La bomba de pistones en forma de bolas ha resultado interesando a los proyectistas de bombas hidráulicas, debido el bajísimo desgaste de las partes en rozamiento. No es lo mismos desde luego el rozamiento contra una pista interior circular de patines  o cilindros de rodadura de bolas perfectamente esféricas y pulidas de acero extra duro tratado.

El principio de funcionamiento hidráulico es enteramente similar a los anteriores

Referencias existentes indican que este tipo de bombas ya había sido ensayado en Inglaterra alrededor de 1916, pero el estado de la tecnología en lo que hace a caldades de acero extraduros antifricción tratados térmicamente imperante en aquella época no permitió evitar los excesivos desgastes que se ocasionaran en aquellas bombas, ya que se veían limitadas en su aplicación por el aumento de las fugas ocasionadas por esas desgastes prematuras.

Con los materiales y acabados extraduros antifricción y antiescoriables que actualmente la tecnología pone a disposición del ingeniero proyectista es posible fabricar bombas de pistones esféricos que tengan una duración razonablemente mayor .Estas bombas se utilizan actualmente en algunas equipos auxiliares de aviación.

Experimentos realizadas recientemente en Inglaterra con bombas de pistones esféricas recubiertos con capas metalizadas de carburos de tungsteno permitieron funcionamientos continuos de 500 horas sin desgastes apreciables ni perdidas por fugas internas ponderables.

Por razones de diseño en función de la geometría de este tipo de bombas la carrera de las bolas que hacen las veces de pistones esta limitada a la tercera parte del diámetro de la misma. Por tal motivo, y para aumentar los caudales sin aumentar el tamaño físico de la bombas se han construidos bombas con pistas ovaladas , lo cual permite  obtener dos carreras por revolución duplicando así el caudal con el mismo tamaño de bomba.

En la Fig. n°  2.23 se ve un esquema de este interesante tipo de bomba, que encuentra  mucha aceptación para presiones no mayores de 30 atu. Esta bomba es de caudal  fijo pero se ha logrado fabricarlas de caudal variable para pequeños valores del mismo mediante un desfasado adecuado. Para ello se utilizan dos grupos de pistones y pistas para bolas y un mecanismo de regulación capaz de girar las pistas en sentidos opuestos, produciendo una variación de fase entre los movimientos de los dos grupos de pistones.

Bombas rotativas de pistones axiales

El mecanismo básico de estos dispositivos es siempre una placa matriz circular rotando oblicuamente en un eje. Al girar el eje, comunica un movimiento circular al bloque de cilindros. Este movimiento en conjunto con la inclinación de la placa, determina que el pistón desarrolle internamente en el cilindro un movimiento alternativo que permite el desarrollo de los procesos de aspiración y descarga. Este grupo de pistones giratorio se instala en el eje de entrada y es impulsado por el motor. Consta de un bloque de pistones con numerosos orificios maquinados con precisión que alojan los pistones de la bomba. Los pequeños pistones de la bomba están formados por el pistón y la corredera del pistón. La corredera es un componente fabricado en bronce o aluminio que se conecta al pistón y mueve los pistones cuando la bomba está funcionando.

En la primera parte del proceso, los pistones se retraen provocando un aumento de volumen y una disminución de la presión con lo que se genera la aspiración. En la segunda etapa, los pistones comienzan a entrar y con esto se disminuye el volumen y como consecuencia se produce la descarga.

Si fuera posible variar la

inclinación de la placa, la bomba será de caudal variable.

Las correderas del pistón pivotean y se deslizan por una arandela endurecida llamada arandela de empuje.

La arandela de empuje se sitúa en el plato distribuidor. Éste pivotea sobre dos pasadores de soporte y controla la salida de la bomba. Cuando el operador mueve el pedal de control de tracción para aumentar la velocidad de desplazamiento, el ángulo del plato distribuidor se acentúa.

A medida que gira el grupo de pistones, los pistones se mueven hacia adentro y hacia fuera de sus orificios y bombean el aceite. La cantidad de aceite bombeada es controlada por el ángulo del plato distribuidor.

Mientras el plato distribuidor se mantenga en posición neutral, no se bombeará aceite. Cuando el operador mueve el pedal de control de tracción, aumenta elángulo del plato distribuidor, lo que a su vez aumenta la carrera del pistón. Cuando la carrera del pistón aumenta, la cantidad de aceite bombeado aumenta y la velocidad de desplazamiento cambia.

Si bien está placa oscilante en parte es un sustitutivo de la manivela , y se la conoce desde hace mucho tiempo en ingeniería mecánica, no ha tenido mayores aplicaciones en diversos tipos de maquinarias debido a la complejidad de los mecanismos a que ella daba lugar. La bomba hidráulica de alta presión es posiblemente la única aplicación donde el dispositivo se ha empleado con éxito y tanto es así , que actualmente existe la definida tendencia de utilizar mas y más este tipo de bomba en todas las utilizaciones industriales, desplazando a las bombas de pistones radiales o en "estrella"  a pesar de ser más robustas simples y durables, y ello muy posiblemente sea debido a la influencia de la técnica hidráulica aeronáutica ya en la aviación la cuestión peso es de vital importancia y este tipo de bomba es la que asegura mayor potencia por kilogramo de peso, Pero aparte esta razón las bomba con placa motriz circular oscilante de cilindros axiales ( paralelos al eje de la bomba) tiene tres ventajas fundamentales respecto a las bambas de pistones radicales .

a) Los cilindros se hallan muy cerca respecto del eje central de giro, por la cual:la fuerza centrífuga sobra los pistones es considerablemente menor.

b) El mecanismo que se encarga de producir el movimiento alternativo de los pistones es más rígido. Por esta razón los golpes de ariete que se presentan en estas bombas son mucho menores ya que los pistones pasa del tiempo de

aspiración el de presión y viceversa, de una manera más suave, condicionando un menor nivel de ruido .

c) La utilización de bombas de cilindros axiales permite el empleo de válvulas deslizantes rotativas planas mientras que en las bombas de pistones radiales las válvulas rotativas deslizantes eras cilíndricas y las primeras permiten presiones tan: altas como 35 atu mientras que con las segundas no es posible para tener buenos rendimientos hidráulicos - pasar más allá de los 210 atu .

Motor hidrostático

Veamos una aplicación de ejemplo de motor hidrostático. En un sistema de motor hidrostático remoto, los motores hidrostáticos pueden ser motores simples de engranajes o motores de pistones.

Cuando el motor se fabrica como parte del conjunto completo como ocurre en los sistemas en U o en línea, el motor es del tipo de pistones, muy similar a la bomba de pistones excepto que el plato distribuidor es fijo. Al ser fijo la carrera de los pistones permanece constante. La velocidad de rotación del motor no se puede cambiar salvo que se cambie el volumen de aceite que recibe de la bomba. Recuerde que una columna de aceite dada hace girar al motor a una velocidad dada. Más aceite aumenta la velocidad del motor; menos aceite la disminuye.

Motor hidrostático - Funcionamiento general

Mientras el motor hace girar el grupo giratorio de la bomba, los pistones pasan por el plato distribuidor que se encuentra en posición neutra, (figura siguiente abajo). Con el plato distribuidor en posición neutra no hay movimiento de los pistones y no se bombea aceite.

Cuando el operador mueve el pedal de control de tracción, aumenta el ángulo del plato distribuidor y la bomba de pistones comienza a desplazar aceite. Este aceite se dirige a la sección de la bomba y hace moverse a la unidad (figura siguiente abajo).

Cuando el operador necesite cambiar de dirección, el pedal de tracción se mueve hacia atrás a la posición neutra y luego a la posición de retroceso. En la posición de retroceso, el plato distribuidor se mueve en sentido opuesto a la dirección hacia adelante. En esta posición, el aceite se bombea al lado opuesto del motor y la unidad se mueve en reversa (figura siguiente abajo ).

 

Bomba de Williams-Janney

Esta bomba diseñada y construida por primera vez entre los años 1901 a 1906 Estados Unidos para la Waterbury Tools Mg. , por Harvey Williams y Reynolds Janney fue el origen del cual se partió para llegar a los actualmente modernos tipos de bombas de esta clase, que manufacturadas por empresas diversas en Estado

Unidos, Inglaterra, Europa Continental y Japón , han permitido dar a la hidráulica del aceite el increíble desarrollo que ha tomado hoy día.

En la Fig. nro. 2,24 daremos una ilustración de esta bomba en su versión original .

En el grabado se puede apreciar la bomba original en su corte longitudinal . El árbol D que recibe el movimiento de un motor eléctrico que no figura en el dibujo, Este árbol D va guiado en dos cojinetes a bujes. Montado sobre este árbol se encuentra un  manguito estriado, sobre el cual a su vez se encuentra montado el bloque de cilindros C , que recibe a través del manguito el movimiento de rotación

Dentro del bloque de cilindros se desplazan en cada cilindro su correspondiente pistón que está vinculado mediante una biela E que en sus dos extremidades tiene una cabeza esférica para lograr una articulación rotulante universal , una de ellas para fijar la biela a su pistón y la otra para fijar la biela a un anillo portamuñones que va montado dentro de un receptáculo anular J. Este último va encajado dentro de un cojinete liso K , el cual a su vez se encuentra montado dentro de una muñonera G . Todo este conjunto se encuentra fijado a una junta universal doble  M, que se halla situada entre el conjunto descrito y el árbol D .

La muñonera G puede girar parcialmente alrededor de unas soportes giratorios que no se muestran en la Fig. antedicha. Si  la bomba comienza a funcionar conservando las mismas distancias que se muestran en el dibujo, de manera que el eje del receptáculo anular coincida con el eje del árbol  los pistones NO se desplazan en sus correspondientes cilindros y la bomba no suministra ningún caudal al circuito hidráulico .

Inclinando ahora la muñonera hacia un lado que en esta versión original de la bomba Williams Janney se lograba con un mecanismo accionado por una palanca de accionamiento manual situada en el exterior del cuerpo de la bomba los pistones se desplazarán dentro de sus correspondientes cilindros alternativamente y bombeando aceite - desde A hacia B, inversamente, desde B hacia A invertimos el desplazamiento de la muñonera. Vale decir que la bomba no solamente es el caudal variable , sino que también de flujo reversible.

La estanqueidad de las válvulas deslizantes planas V se obtiene inicialmente gracias a la acción del resorte X montado sobre el árbol D. Las superficies de las lumbreras tienen tales dimensiones que hacen que puede quedar desequilibrada una  pequeña parte del empuje final total del pistón permitiendo que una fuerza resultante mantenga a las válvulas superficiales en contacto.

La acción valvular se obtiene gracias a las lumbreras de cada pistón que se encuentran talladas en el bloque de los cilindros las cuales comunican alternativamente con dos lumbreras de forma reniforme que constituyen la admisión y escape en la válvula superficial estacionaria, que es un disco plano , no mostrado en el dibujo. 

Si bien el bloque de cilindro C, se encuentra montado sobra un manguito al árbol D, no está rígido sobre dicho árbol, sino que entre ellos se encuentra una pequeña junta universal H de manera tal que esta le permita alinearse por si mismo sobre la válvula superficial por la que las superficies de contacto de estas no quedan separadas por cualquier posible tensión o deformación en el mecanismo.

Esta descripción que acabamos de dar, nos muestra, como ya fue dicho la  versión original de esta bomba. Los diversos fabricantes licenciatarios que encararon su fabricación fueron en el curso de los años y a través de la experiencia de la práctica, modificando sensiblemente el diseño original si bien respetando el principio fundamental de la bomba.  Las modificaciones y alteraciones básicas consistieron en montar el árbol D sobre robustos cojinetes a bolas, encamisar los cilindros dentro del bloque giratorio ,  eliminar todo tipo de resortes, utilizar robustas crapodinas de empuje en la muñonera G. y sobre todo perfeccionar el sistema de mando para la inclinación de la muñonera oscilante . Una versión actual de esta bomba, se muestra en la Fig. nro. 2.25.

En la figura nro. 2.25 que nos muestra el corte de una bomba moderna actualmente fabricada por una prestigiosa firma alemana, apreciamos claramente que la periferia del disco oscilante tiene un dentado que engrana con los filetes de un tornillo que al accionarse desde el exterior sobre una platina graduada permite desplazar la inclinación del plato oscilante para lograr el caudal deseado.

En los modelos actuales se trabaja con presiones de servicio de 200 atu a velocidades normales de rotación de 1.500 r.p.m. .

Bomba de embolo buzo axial ("Electráulica" )

La firma inglesa Towler que fabrica la bomba multicilindrica de pistones en línea vista anteriormente también manufactura otro tipo de bomba de pistones axiales de la cual representamos en la Fig. nro. 2,26 un corte longitudinal de la misma .

La bomba consta de dos grupos de tres pistones accionados por una placa motriz circular. En lugar de utilizar patines o bielas, los extremos libres de los pistones tienen una cabeza semiesférica. Los pistones se encuentran empujados por contacto directo con la superficie dura de la plata motriz circular  sobra la cual se deslizan formando un contacto de rodadura perfecto.

En la figura se muestra una de estas bombas en la cual el empuja axial del: plato oscilante es soportado por una robusta crapodina de empuje planos colocada contra la pared interior de la carcaza y otra similar montada sobre la corona oscilante . Estas crapodinas se individualizan en el plano con las letras F.

Los émbolos tienen libertad de rotación dentro de sus cilindros, y para asegurar un contacto satisfactorio entra las cabezas de los émbolos y la superficie de. rozamiento entro estos y el plato oscilante, este último se hace girar lentamente por medio engranajes cónicos que se ven en la Fig. nro. 2.26 , uno de los cuales esta unidos al cuerpo de la bomba y el otro al plazo oscilante,

La relación de transmisión de los engranajes cónicos corresponde a la secante del ángulo de inclinación de la cara de empuje del plato oscilante. Los fabricantes han afirmado que este plato oscilante con corona dentada, en combinación con  anillos de empuje recubiertos con película lubricantes permiten operaciones continuas  a presiones muy altas. Por ejemplo una bomba prototipo ha funcionado durante más de 2,000 horas a 7,000 libras por pulgada cuadrada sin recibir desgastes apreciables .

Una bomba auxiliar P del tipo del engranajes accionada por una prolongación del árbol de transmisión precarga la bombas extrayendo aceite del tanque de almacenamiento del aceite y manda a este al colector de la bomba de alta presión a través de  un pasaje interno, no mostrado en la figura. La capacidad de la bomba auxiliar excede la capacidad de la bomba de alta presión y el aceite excedente pasa a través de otro conducto desde el colector hasta el carter donde se encuentra alojado el plato  basculante.

El pasaje estrecho entre el colector de admisión y la caja del plato basculante asegura una presión de aceite suficiente en el colector para levantar las válvulas de admisión y además, y esto es lo importante , los émbolos reciben empuje hacia afuera durante sus carreras de aspiración mediante una presión suministrada precisa por la bomba auxiliar P.

CONSIDERACIONES DE INSPECCIÓN Y PUESTA EN MARCHA  

DE LAS BOMBAS A PISTONES

Imperan para este caso las condiciones generales que hemos expuesto para las bombas de paletas, sin embargo en razón de las estrictas tolerancias constructivas y la complejidad de algunos modelos son limitadas las reparaciones que pueden intentarse dentro de las plantas industriales debiéndose recurrir en la mayoría de los casos al reemplazo de los conjuntos rotor o barrilete y pistones.

INVERSIÓN DEL SENTIDO DE GIRO

El sentido de giro de las bombas de pistones axiales y radiales puede ser invertido solo en los modelos de plato matriz ylo de distribución por vástago central, siempre ateniéndose en las instrucciones del fabricante.

Las bombas de distribuidor por placa rozante ylo los de tambor a barrilete giratorio no pueden invertir su sentido de giro en cuyo caso deben ser solicitadas al fabricante para un determinado sentido. 

 

 

BANCO DE PRUEBAS Y RECEPCIÓN

Cualquier tipo de bomba de desplazamiento positivo, puede ser controlada en un banco de construcción sencilla que nos permita conocer si se ajusta a las condiciones de funcionamiento especificadas.

El banco que describiremos permite fundamentalmente comprobar el caudal que entregada una determinada bomba a diferentes valores de presión (Ver Fig. 2.27) y constatar mediante un amperímetro la potencia que desarrolla el motor.

Las condiciones de prueba son: 

a. Mantener las condiciones de temperatura del aceite y viscosidad del mismo de acuerdo a lo indicado por el fabricante.

b. En función de que los fabricantes señalan los caudales y potencias absorbidas por un tipo  determinado de bomba a diferentes valores de presión. Se tomarán esas presiones para la pruebas permitiendo de esa forma constatar los caudales.

c. La velocidad de giro de la bomba durante la prueba deberá coincidir con la establecida por el catálogo en caso contrario efectuar la conversión de caudal al nuevo número de vueltas , utilizando para ello el valor que debe figurar en catálogo de desplazamiento cúbico por vuelta.

Bomba de engranajes rectos ( spur gear pump )

Las bombas de engranaje se clasifican como bombas de engranaje externas o internas. En bombas de engranaje externas los dientes de ambos engranajes se proyectan hacia fuera de sus centros. Las bombas externas pueden utilizar engranajes cilíndricos, engranajes de dientes angulares, o engranajes helicoidales para mover el líquido. En una bomba de engranaje interna, los dientes de un engranaje se proyectan hacia afuera, pero los dientes del otro engranaje proyectan hacia adentro hacia el centro de la bomba . Las bombas de engranaje internas pueden ser centradas o excéntricas.

Fig. Bomba rotativa de engranajes ( externos )

Esta es una de los tipos más populares de bombas de caudal constante, Sobro todo si es de engranajes exteriores . En su forma mas común, se componen de dos piñones dentados acoplados que dan vueltas, con un cierto juego, dentro de un cuerpo estanco. El piñón motriz esta enchavetado  sobre el árbol de arrastre

accionando generalmente por un motor eléctrico. Las tuberías de aspiración y de salida van conectadas cada una por un lado, sobre el cuerpo de la bomba.

A consecuencia del movimiento de rotación que el motor le provoca al eje motriz, éste arrastra al engranaje respectivo el que a su vez provoca el giro del engranaje conducido (segundo engranaje). Los engranajes son iguales en dimensiones y tienen sentido de giro inverso.

Con el movimiento de los engranajes, en la entrada de la bomba se originan presiones negativas; como el aceite que se encuentra en el depósito está a presión atmosférica, se produce una diferencia de presión, la que permite el traslado de fluido desde el depósito hacia la entrada de la bomba (movimiento del fluido). Así los engranajes comienzan a tomar aceite entre los dientes y a trasladarlo hacia la salida o zona de descarga. Por efecto del hermetismo de algunas zonas, el aceite queda impedido de retroceder y es obligado a circular en el sistema .

En la figura 2.28 se ve el corte de una bomba común de dos engranajes  .

Los dientes de los piñones al entrar en contacto por él lado de salida expulsa el aceite contenido en los huecos, en tanto que el vacío que se genera a la salida de los dientes del engranaje provoca la aspiración del aceite en los mismos huecos.

Las bombas corrientes de engranajes son de construcción simple, pero tienen el defecto de tener un caudal con pulsaciones.

Los piñones dentados se fabrican con acero Cr-Ni de cementación cementados, templados y rectificados (profundidad de cementación 1 mm. ) .

Los ejes de ambos engranajes están soportados por sendos cojinetes

de rodillos ubicados en cada extremo. El engranaje propulsor se encuentra acuñado a su eje. Como se dijo, el aceite es atrapado en los espacios entre los dientes y la caja de función que los contiene y es transportado alrededor de ambos engranajes desde la lumbrera de aspiración hasta la descarga.

Lógicamente el aceite no puede retornar al lado de admisión a través del punto de engrane.

Los engranajes de este tipo de bomba generalmente son rectos, pero también se emplean engranajes helicoidales , simples o dobles, cuya ventaja principal es el. funcionamiento silencioso a altas velocidades. Cabe destacar un hecho al cual hay que poner preferente atención: deben tomarse precauciones contra el desarrollo de presiones excesivas que pueden presentarse por quedar aceite atrapado entre las sucesivas líneas de contacto de los dientes, como puede verse en el detalle de la Fig. 5.1. Para evitar este inconveniente, se ejecuta en las platinas laterales un pequeño fresado lateral que permite el escapa del aceite comprimido, ya sea hacia la salida o hacia la aspiración .

Siendo Mº el módulo del diente de los engranajes :

La anchura del fresado es aconsejable que sea:  

La profundidad del fresado 

La longitud del fresado 

Distancia del fresado a la línea de centros 

195 Mº

0,5 Mº

1,2 Mº

0,5 Mº

En las bombas con dos sentidos de marcha, se efectúan dos fresados, una a cada lado de la línea de centros.

En la Fig. 2.29 se muestra una bomba llamada "Barnes" en la cual se ha solucionado el problema anteriormente mencionado. En el piñón conducido y en el fondo de los vacíos de los dientes se ha practicado un pequeñísimo agujero por donde descarga el aceite atrapado, Sí también se hace lo mismo en la cresta de los dientes, el problema se soluciona totalmente.- La comprensión del aceite en la cámara "A" empieza en el momento que un diente entra en contacto a la vez con los dos adyacentes al hueco en el que penetra.  En este momento, el aceite de la cámara "A" se escapa por, el canal "F"  la cavidad "N" fresado en el árbol y los canales "E" hacia la salida.

Cuando los dientes atraviesan la línea de centros se inicia el desengrase. Se crea así un vacío en la cámara "B" qua es inmediatamente llenado por el aceite que llega

por el lado aspiración por los canales "D", la cavidad "M" y el canal "Q" Esta acción particular asegura a la bomba "Barnes" una gran suavidad de funcionamiento.

En las bombas de engranajes de construcción corriente el aceite ejerce una presión radial considerable sobre los piñones lo que provoca la deformación de los árboles el aumento disimétrico del juego y por consiguiente el aumento de las fugas .

Por otra parte, los refuerzos radiales elevados necesitan rodamientos o cojinetes de grandes dimensiones, todo lo cual hace aumentar el peso de la bomba.

Para equilibrar los piñones de las bombas de engranajes desde el punto de vista hidráulico, existen dos modos diferentes que permiten resolver esta cuestión. Por un lado, se realizan en los piñones dentados (que a este efecto deben tener números pares de dientes) pequeños agujeros diametrales que atacan los vacíos de los dientes. Estos agujeros se cruzan, pero no se cortan.

La figura 2.30  muestra lo que sucede: del lado de salida, la presión que se ejerce sobre los piñones da origen a fuerzas resultantes F1 y F2, en la que cada una actúa sobre su piñón respectivo. 

  

Debido a los agujeros radiales, el aceite a presión penetra a través de cada piñón en el lado opuesta a la cámara de compresión, lo que crea las fuerzas resultantes F5 y F4, que libran respectivamente las fuerzas F1 y F 2 .

La presión sobre las engranajes varia durante su rotación, por este hecho el equilibrado no puede ser perfecto, no obstante, permite una reducción considerable de las dimensiones de los cojinetes y como consecuencia la aplicación de las bombas de engranajes para presiones de servicio mayores.

Los piñones de la bomba esquematizada en la figura 2.30 tienen para su equilibrio un taladro en cada hueco entre diente.

Esta disposición perjudica considerablemente la estanqueidad entre las zonas de aspiración y de comprensión, por la simple razón de que los agujeros (1) y (2) unidos respectivamente a cada una de estas zonas, no están separadas sino por un solo diente.

Para remediar este inconveniente, se ejecutan los agujeros mas separados, como se ilustra en la figura 2.31 .En todos los casos, a fin de disminuir el máximo los esfuerzo sobre los piñones, conviene dotar a la cámara de comprensión (R) de dimensiones lo mas reducidas posibles 

El numero de vueltas para las bombas de dientes rectos es generalmente de 900 a 1500 r.p.m..- En las bombas de dentado helicoidal ya sea simples o actas, la velocidad puede llegar hasta 1800 r.p.m. .

En los modelos muy perfeccionados, con dientes corregidos platinas de bronce rectificadas, eliminación de la compresión de aceite entre los dientes en contactos, el numero de revoluciones puede llagar hasta 2.500 r.p.m. 

En los modelos equilibrados, las presiones pueden llegar a 70kg/cm2 y aun valores superiores.

Presiones mayores en este tipo de bombas ocasionan ruidos muy molestos de funcionamiento y trepidaciones perjudiciales en el circuito. Es importante que los huecos entre dientes se llenen completamente de aceite durante la aspiración. En caso contrario los espacios mal llenados evocan la formación de vapores de aceite, los cuales bruscamente comprimidos, causan choques hidráulicos y un ruido considerable.

Este ruido es mas amortiguado cuando se emplean aceites viscosos , pero aumenta considerablemente con el crecimiento de la velocidad y de la presión. Un recurso que da buen resultado, es aumentar considerablemente el volumen de la cámara de aspiración  El ruido de funcionamiento de la bomba se reduce así considerablemente.

Para obtener un llenado correcto hay que evitar en las tuberías de aspiración velocidades de aceite superiores a 2 m/seg. Las velocidades de salida no deben ser mayores que 5m/seg. 

Fig. 2.32 Equilibrado de empujes radiales y axiales en una bomba engranaje

Fig. 2.33 Equilibrio de empujes radiales sobre los piñones en una bomba unidireccional

Fig. 2.34 Curva de pulsaciones del caudal de una bomba de engranajes en el caso de un dentado con coeficiente recubierto e=1 .

Fig. Bombas de engranajes con dientes internos

Bomba de engranajes de dientes internos

Esta bomba la constituyen elementos como, engranajes de dientes externos (motriz), engranajes de dientes internos (conducido) y una placa en forma de media luna. Existe una zona donde los dientes engranan completamente en la cual no es posible alojar aceite entre los dientes.

Al estar los engranajes ubicados excéntricamente comienzan a separarse generando un aumento del espacio con lo cual se provoca una disminución de presión lo que asegura la aspiración de fluido. Logrado esto, el aceite es trasladado hacia la salida, la acción de la placa con forma de media luna y el engrane total, impiden el retrocesos del aceite.

 

Fig. : Bomba de engranajes bihelicoidales

Bomba de engranajes bihelicoidales

La bomba de engranajes bihelicoidales (Herringbone Gear Pump en Inglés ) (ver figura lateral ) es una modificación de la bomba de engranajes rectos. El líquido se bombea de manera semejante a la bomba de engranajes rectos. Sin embargo, en la bomba de engranajes bihelicoidales, cada juego de dientes comienza su fase descarga de fluido antes de que el juego anterior de dientes haya terminado su fase de descarga. Esta sobreposición y el espacio relativamente más grande en el centro de los engranajes tienden a reducir al mínimo las pulsaciones y a dar un flujo más constante que la bomba de engranajes rectos ( Spur gear pump en Inglés) .

Fig.: Bomba de engranaje helicoidal.

Bomba de engranajes helicoidales

La bomba de engranaje helicoidal sigue siendo otra modificación de la bomba de engranaje recto. Debido al diseño helicoidal del engranaje, la sobreposición de descargas sucesivas desde los espacios entre los dientes es incluso mayor que la producida en la bomba de engranaje bihelicoidal; por lo tanto, el flujo de la descarga es más estable. Debido a ésta mayor estabilidad de descarga en la bomba helicoidal, los engranajes se pueden diseñar con una pequeña cantidad de dientes grandes – permitiendo así un incremento en la capacidad sin sacrificar la estabilidad del flujo.

Los engranajes de bombeo de este tipo de bomba son movidos por un sistema de engranajes de sincronización e impulsión que ayudan a mantener el espacio intersticial requerido sin el contacto metálico real de los engranajes de bombeo. (El contacto metálico entre los dientes de los engranajes de bombeo proporcionaría un sello más estrecho contra el resbalamiento; sin embargo, causaría un acelerado desgaste de los dientes, porque el material extraño en el líquido estaría presente sobre las superficies de contacto.)

Los rodamientos de rodillos en ambos extremos de los ejes de engranaje mantienen la alineación apropiada y reducen al mínimo la pérdida de fricción en la transmisión de la potencia. Embalajes adecuados se utilizan para prevenir fugas alrededor del eje.

Bomba de engranajes internos centrados

Otro diseño de bomba de engranaje interno se ilustra en las figuras laterales. Esta bomba consiste en un par de elementos con forma de engranaje, uno dentro del otro, localizados en el compartimiento de la bomba. El engranaje interno está conectado con el eje motriz de la fuente de potencia.

La operación de este tipo de bomba de engranaje interna se ilustra en las figuras laterales. Para simplificar la explicación, los dientes del engranaje interno y los espacios entre los dientes del engranaje externo se numeran.

 Observe que el engranaje interno tiene un diente menos que el engranaje externo. La forma del diente de cada engranaje se relaciona con la de la otra de una manera tal que cada diente del engranaje interno esté siempre con desplazamiento de contacto con la

superficie del engranaje externo. Cada diente del engranaje interno endienta con el engranaje externo en apenas un punto durante cada revolución. En la ilustración, este punto está en X. En la visión A, el diente 1 del engranaje interno está endentado con el espacio 1 del engranaje externo. A medida que los engranajes continúan girando en una dirección a la derecha y los dientes se acercan al punto X, el diente 6 del engranaje interno endentará con el espacio 7 del engranaje externo, el diente 5 con el espacio 6, y así sucesivamente. Durante esta revolución, el diente 1 endentará con el espacio 2; y durante la revolución siguiente, el diente 1 endentará con el espacio 3. Consecuentemente, el engranaje externo girará en apenas seis sextos la velocidad del engranaje interno.

En un lado del punto de acoplamiento entre dientes, bolsillos de tamaño cada vez mayor se forman mientras que los engranajes giran, mientras que en el otro lado los bolsillos disminuyen de tamaño. En la figura B adjunta, los bolsillos en el lado derecho de los dibujos están aumentando de tamaño hacia la parte inferior de la ilustración, mientras

que los mismos en el lado izquierdo están disminuyendo de tamaño hacia la tapa de la ilustración. El lado de entrada de la bomba por lo tanto estaría en la derecha y el lado de descarga a la izquierda. En la figura A, se ve que el lado derecho del dibujo fue que volcado para indicar los puertos, el lado de entrada y la descarga aparecen invertidos, donde A en un dibujo cubre A en el otro.

Bomba de lóbulos

Esta bomba funciona siguiendo el principio de la bomba de engranajes de dientes externos, es decir, ambos elementos giran en sentidos opuestos, con lo que se logra aumentar el volumen y disminuir la presión y por ello conseguir la aspiración del fluido.

Los lóbulos son considerablemente más grandes que los dientes de engranajes, pero hay solamente dos o tres lóbulos en cada rotor. Una bomba de tres lóbulos se ilustra en la figura lateral. Se giran los dos elementos, uno es impulsado directamente por la fuente de energía, y el otro a través de engranajes de sincronización. Mientras que los elementos giran, el líquido queda atrapado entre dos lóbulos de cada rotor y las paredes del compartimiento de la bomba, y se transporta del lado de succión al lado de descarga de la bomba. A medida que el líquido sale del compartimiento de succión, la presión en el compartimiento baja, y más líquido adicional es forzado a desplazarse hacia el compartimiento desde el depósito.

Se construyen los lóbulos de manera de producir un sello continuo en los puntos donde éstos se interceptan en el centro de la bomba. Los lóbulos de la bomba ilustrada en la figura son provistos con las pequeñas paletas en su borde externo, a fin de mejorar la hermeticidad de la bomba. Aunque estas paletas se sostengan mecánicamente en sus ranuras, están, hasta cierto punto, libres de moverse hacia fuera. La fuerza centrífuga mantiene las paletas ligeramente apretadas contra el compartimiento y los otros elementos giratorios.

 

Fig.: Bomba de lóbulos.

 

Por la forma constructiva de los engranajes el caudal desplazado puede ser mayor. Se genera una sola zona de presión, por lo cual esta bomba constituye una del tipo desequilibrada, y al no podérsele variar la cilindrada, se dice entonces que la bomba es de caudal constante.

BOMBA DE TORNILLO

La transmisión de potencia hidráulica por medio de bombas de tornillo se utiliza generalmente sólo en los submarinos. A pesar de ser baja en eficiencia y costosa, la bomba de tornillo es conveniente para las altas presiones (3000 psi), y entrega fluido con poco ruido o pulsación de presión.

Las bombas de tornillo están disponibles en variados diseños; sin embargo, todas funcionan de una manera similar. En una bomba de tornillo del tipo rotativo de desplazamiento fijo (visión A en la figura), el líquido se impulsa axialmente en forma constante y uniforme mediante la acción de sólo tres partes móviles, un rotor motriz y dos rotores locos arrastrados por el primero. El rotor motriz es el único elemento impulsor, que se extiende fuera de la cubierta de la bomba para las conexiones de potencia a un motor eléctrico. Los rotores locos giran libres y son arrastrados por el rotor motriz mediante la acción de los filetes de rosca que endientan entre sí. El líquido bombeado entre los filetes de rosca helicoidales del rotor motriz y los rotores locos proporciona una película protectora para prevenir el contacto metal con metal. Los rotores locos no realizan ningún trabajo; por lo tanto, no necesitan ser conectados

Fig.: Bomba de tornillo

La línea de suministro está conectada en el centro de la cubierta de la bomba en algunas bombas (figura, visión B). El líquido entra en el puerto de succión de la bomba, que se abre en compartimientos en los extremos del montaje del tornillo. Cuando los tornillos giran, el líquido fluye entre los filetes de rosca en cada extremo del conjunto. Los filetes de rosca arrastran el líquido dentro de la cubierta hacia el centro de la bomba al puerto de descarga.

por engranajes para transmitir potencia. Los espacios intersticiales formados por el endentado entre los rotores dentro de la estrecha caja de cubierta contienen el líquido que es bombeado. Mientras que los rotores dan vuelta, estos espacios se mueven axialmente, proporcionando un continuo flujo. El funcionamiento eficaz se basa en los factores siguientes:

La acción de giro obtenida con el diseño de filetes de rosca de los rotores es responsable de la estabilidad misma de operación de la bomba. La carga simétrica de presión alrededor del rotor motriz elimina la necesidad de cojinetes radiales porque no hay cargas radiales. El cojinete de bolas tipo cartucho en la bomba posiciona al rotor motriz para la operación apropiada de sellado. Las cargas axiales en los rotores creados por la presión de descarga son hidráulicamente equilibradas.

La clave del funcionamiento de la bomba de tornillo es la operación de los rotores locos en sus alesajes de la cubierta. Los rotores locos generan una película hidrodinámica para apoyarse en sus alesajes como los cojinetes lisos. Puesto que esta película es autogenerada, la misma depende de tres características de funcionamiento de la bomba - velocidad, presión de descarga, y la viscosidad del fluido. La fuerza de la película es aumentada incrementando la velocidad de funcionamiento, disminuyendo la presión, o aumentando la viscosidad del fluido. Esta es la razón por la cual las capacidades de funcionamiento de la bomba de tornillo se basan en velocidad de la bomba, la presión de descarga, y la viscosidad del fluido.

Bomba de paletas desequilibradas Al tener la bomba una sola zona de alta presión se originan fuerzas que no son compensadas, lo que indica

Las bombas hidráulicas tipo paleta tienen generalmente placas interiores forma circular o elíptica. (La figura lateral ilustra una bomba de paleta con un interior circular.) Un rotor ranurado se fija a un eje que entra en la cavidad de la cubierta a través de una de las placas extremas. Un número de pequeñas placas o paletas rectangulares se fijan dentro de las ranuras del rotor.

 

Fig. : Bomba de paletas desequilibradas

Al girar el rotor dentro del anillo volumétrico y ubicado en forma excéntrica a éste, se genera por lo tanto una cierta diferencia que permite en algunos casos controlar la cilindrada.

Gracias a la excentricidad se genera una zona que hace las veces de cierre hermético que impide que el aceite retroceda. A partir de esta zona y producto de la fuerza centrífuga, las paletas salen de las ranuras del rotor, ajustándose a la superficie interna del anillo, así entre cada par de paletas se crean cámaras que hacen aumentar el volumen y disminuir la presión, con lo que es posible asegurar el continuo suministro de aceite. El aceite es tomado en estas cámaras y trasladado a la zona de descarga.

que la bomba se trata de una bomba desequilibrada.

Fig. : Bomba de paletas desequilibradas

A medida que el rotor da vuelta, la fuerza centrífuga hace que el borde externo de cada paleta se deslice a lo largo de la superficie de la cavidad de la cubierta, mientras que las paletas resbalan dentro y fuera de las ranuras del rotor. Las numerosas cavidades, formadas por las paletas, las placas extremas, la cubierta, y el rotor, se expanden y se comprimen a medida que el montaje del rotor y de la paleta gira. Un puerto de entrada está instalado en la cubierta así que el líquido puede fluir en las cavidades mientras que éstas se agrandan. Un puerto de salida está provisto para permitir que el líquido fluya fuera de las cavidades a medida que llegan éstas se vuelven pequeñas.

 

Bomba de paletas equilibradas

Se distingue en este tipo de bomba las siguientes situaciones:

Anillo volumétrico El rotor y el anillo están ubicados

concéntricamente Posee dos zonas de aspiración y dos de descarga,

por lo tanto la aspiración y descarga se realiza dos veces en cada revolución

Su caudal es fijo

Las fuerzas resultantes se anulan, por lo tanto la bomba es equilibrada

   

BOMBAS MANUALES

Hay dos tipos de bombas alternativas manuales - la de acción única y la doble acción. La bomba de acción única proporciona flujo durante cada movimiento posterior, mientras que la de doble acción proporciona flujo durante cada movimiento de bombeo. Las bombas de acción única se utilizan con frecuencia en gatos hidráulicos.

Fig.: Bomba manual hidráulica

Una bomba de mano de doble acción se ilustra en la figura anterior. Este tipo de bomba se utiliza algunos sistemas hidráulicos de aviones como fuente de tracción hidráulica para emergencias, para prueba de ciertos subsistemas durante inspecciones de mantenimiento preventivo, y para determinar las causas de malfuncionamientos en estos subsistemas.

Esta bomba (ver figura arriba) consiste en un cilindro, un pistón que contiene una válvula de retención incorporada (A), un eje de pistón, una manija de funcionamiento, y una válvula de retención (B) en el puerto de entrada. Cuando el pistón se mueve a la izquierda, la fuerza del líquido en la cámara de salida y la tensión del resorte hace la válvula A cerrarse.

 

Este movimiento hace que el pistón fuerce el líquido en la cámara de entrada hacia el puerto salida y dentro del sistema. Este mismo movimiento del pistón produce un área de baja presión en la cámara de entrada. La diferencia en la presión entre la cámara de entrada y el líquido (a presión atmosférica) en el depósito actuando sobre la válvula de retención B hace que su resorte se comprima; abriendo así la válvula de retención. Esto permite que el líquido entre en la cámara de entrada.

Cuando el pistón termina este desplazamiento a la izquierda, la cámara de entrada está llena de líquido. Esto elimina la diferencia de presión entre el compartimiento de entrada y el depósito, permitiendo así que la tensión del resorte cierre la válvula de retención B. Cuando el pistón se mueve hacia la derecha, la fuerza del líquido confinado en el compartimiento de entrada actúa sobre la válvula de retención A. Esta acción comprime el resorte y abre la válvula de retención A lo que permite que el líquido fluya desde la cámara de entrada hacia la cámara de salida. Debido al área ocupada por el vástago del pistón, la cámara de salida no puede contener todo el líquido descargado del compartimiento de entrada. Puesto que los líquidos no se comprimen, el líquido adicional es forzado fuera del puerto salida dentro del sistema.

 

HIDRÁULICA

 

 

CONTROL DE LA PRESIÓN EN UN SISTEMA HIDRÁULICO VÁLVULAS DE ALIVIO DE ACCIÓN DIRECTA VÁLVULAS DE ALIVIO DE OPERACIÓN   PILOTO ACCIÓN DE UNA VÁLVULA DE ALIVIO OPERADA POR PILOTO CONTROL REMOTO DE VÁLVULAS DE ALIVIO POR ACCIÓN PILOTO VENTEO DE UNA VÁLVULA DE ALIVIO DE ACCIÓN PILOTO CIRCUITOS DE CONTROL REMOTO PARA VÁLVULAS DE ALIVIO OPERADAS POR PILOTO VÁLVULAS BY PASS, 0 VÁLVULAS DE SECUENCIA Y DESCARGA APLICACIONES DE LA VÁLVULA BY PASS VÁLVULAS HIDRÁULICAS DE REDUCCIÓN DE PRESIÓN . MANTENIMIENTO DE UNA PRESIÓN DESCARGA DE BOMBAS RETRACCIÓN A BAJA PRESIÓN VÁLVULAS DE COMANDO DE CENTRO TANDEM 0 CENTRO ABIERTO CONTROL DE CILINDROS MÚLTIPLES.   CONTROL DE LA VELOCIDAD EN CIRCUITO HIDRÁULICOS .   VÁLVULAS DE USO COMÚN PARA EL CONTROL DE LA VELOCIDAD . VÁLVULAS DE CONTROL DE FLUJO COMPENSADAS CONTROL DE VELOCIDAD DE CIRCUITOS HIDRÁULICOS Control al ingreso Control a la salida Control por derivación SINCRONIZACIÓN DE MOVIMIENTO DE CILINDROS HIDRÁULICOS OPERACIÓN DESDE DIVERSAS POSICIONES CONTROL DIRECCIONAL PARA ACCIONAR CILINDROS HIDRÁULICOS .   CONTROL DIRECCIONAL DE CILINDROS HIDRÁULICOS DE SIMPLE EFECTO REGENERACIÓN EN CIRCUITOS HIDRÁULICOS EJEMPLOS DE CIRCUITOS REGENERATIVOS VÁLVULAS SOLENOIDES HIDRÁULICAS VÁLVULAS HIDRÁULICAS DE CUATRO VÍAS, OPERADAS ELÉCTRICAMENTE VÁLVULAS DE CUATRO VÍAS, OPERADAS POR PILOTO HIDRÁULICO VÁLVULA OPERADA POR PILOTO, CONTROLADA POR DOBLE SOLENOIDE   ALIMENTACIÓN DE LA PRESIÓN PILOTO EN VÁLVULAS ELÉCTRICAMENTE CONTROLADAS CONTROL DIRECCIONAL DE CILINDROS NEUMÁTICOS   CONTROL DIRECCIONAL CON VÁLVULA DE CUATRO VÍAS DOS POSICIONES  

CIRCUITOS DE DOS PRESIONES CON VÁLVULAS DE 5 VÍAS  

Son muy severos los requerimientos del control de la presión en un sistema hidráulico. Esto puede ser sumariamente descrito de la siguiente forma:

1) Limite de la presión de seguridad. Cada sistema hidráulico que utilice bombas de desplazamiento positivo debe poseer una válvula de alivio de seguridad que garantiza el alivio de un incremento accidental, de la presión más allá del límite fijado como presión de trabajo. En muchos sistemas la válvula de alivio de seguridad no es normalmente  un componente activo durante el ciclo de trabajo y en ese caso ella está realizada mediante la forma una válvula de alivio de pistón directo.

2) Establecimiento de la presión de trabajo. En otros sistemas la válvula de alivio es un elemento importante de trabajo durante el ciclo regular, manteniendo a un nivel preestablecido la presión del circuito, Para esta

función, se utilizan válvulas de alivio comandadas en forma piloto como vamos a describir en este tema.

3) Establecimiento de dos a más presiones de trabajo: Muchas máquinas requieren variaciones y cambios del nivel de presión durante el ciclo de su trabajo regular, para este propósito el alivio accionado por piloto puede ser controlado en fama automática por accionamientos manuales o eléctricos

4) Otras máquinas requieren dos o más niveles da presión que deben ser mantenidos al mismo tiempo. Para ello la válvula reductora de presión es utilizada a los efectos de obtener los niveles de presión menores .

5) En algunas instalaciones es necesario que la presión generada por la bomba sea aliviada completamente durante cierta parte del ciclo. Esto generalmente se obtiene mediante el venteo de una válvula de alivio pilotada , por la aplicación de una presión piloto o una válvula by- pass o por otros medios de descarga que veremos más adelante.

VÁLVULAS DE ALIVIO DE ACCIÓN DIRECTA  

Tal como observamos en la Fig. 5.1 una forma simple esta constituida por una esfera cargada por un resorte. Varias formas de elementos de cierre pueden ser realizados en reemplazo de la esfera y que pueden actuar como del tipo de las válvulas anti-retorno

Estas válvulas de alivio de acción directa deben ser únicamente como elementos de seguridad, su funcionamiento y rendimiento son muy  inferiores a las válvulas de alivio compensadas y pilotadas

Las razones de su limitación de funcionamiento podemos enumerarlas de la siguiente forma :

1) El valor diferencial existente entre la presión de apertura y la presión de flujo total de la válvula es demasiado amplio, tal como podemos observarlo en la figura nº 5.2.

La acción ideal de una válvula de alivio es la de aliviar el flujo total generado por la bomba una vez que se ha llegado al limite de presión fijado mediante la carga del resorte , desafortunadamente esta condición es prácticamente imposible de lograr.

La presión de ruptura esta definida por  el valor de presión al cual el aceite comienza a pasar del circuito principal al tanque. En las válvulas de alivio de acción directa, para que ello ocurra el sistema de presión tiene que balancear la tensión de oposición del resorte. La compresión de este resorte hace que para obtener una apertura total de la válvula de alivio deba incrementarse la presión a valores no aceptables en un circuito bien diseñado.

En la Fig. 5.2, observamos la performance de una típica válvula de alivio de acción directa de construcción sumamente económica ,  ella está ajustada a una de ruptura de 1.000 lb./pulg²  y está conectada a un sistema que entrega 20 galones por minuto hacia un cilindro hidráulico.

Cuando este cilindro alcanza el final de su carrera o se detiene por acción de su trabajo, la presión se incrementa llegando al punto A del diagrama al nivel e 1.000 lb./pulg² . 

Cuando la carga se incrementa, parte del aceite que entrega la bomba es descargado al tanque y el cilindro desciende su velocidad de trabajo. Por ejemplo cuando la  presión está a 1.200  libras. aproximadamente 10 galones por minuto son entregados al cilindro moviéndose este a la mitad de la velocidad. A 1.500 lb.  el cilindro se detiene, recién a esa presión todo el caudal de la bomba es enviado al tanque a través de la válvula de alivio.

De este hecho podemos deducir que no solo el cilindro ve afectada su velocidad de desplazamiento sino, que se produce una gran perdida de energía transformada en calor que concluye con el sobrecalentamiento de todo el sistema hidráulico. 

VÁLVULAS DE ALIVIO DE OPERACIÓN   PILOTO

Una válvula de alivio accionada por piloto está constituida por un vástago principal cerrado en una cámara primaria donde se hace presente la presión hidráulica , el nivel de regulación es efectuado por una pequeña válvula de alivio de acción directa ubicada sobre el cuerpo de la válvula principal y controlada a través de un volante de ajuste. El resorte principal es relativamente liviano , motivado porque el vástago principal en cuestión está compensado en cualquier rango de presión a que opera la válvula ,  por otra parte puede ser montado en cualquier posición. Las ventajas de este tipo de válvulas son las siguientes:

1) La diferencial existente entre la presión de ruptura y la de alivio total es mucho menor que las válvulas de acción directa .

2) Tiene un rango de ajuste mucho más extendido que las válvulas  de acción directa.

3) Pueden ser controladas en forma remota para cambiar y variar la presión de servicio como ser desviadas totalmente permitiendo descargarla bomba libremente al tanque .

ACCIÓN DE UNA VÁLVULA DE ALIVIO OPERADA POR PILOTO

En la Fig. 5.3 observamos el diagrama de acción de una válvula de este tipo.- En el diagrama surge que la diferencial de presiones entre el punto A ( presión de ruptura) y el punto B ( total alivio del sistema) es de escasamente 100 lb.,  lo que en el caso del circuito anterior permitiría la detención absoluta del cilindro sobrecargado . 

PRINCIPIO DE OPERACIÓN DE UNA VÁLVULA DE ALIVIO OPERADA POR PILOTO

En la Fig. 5,4, observemos que el vástago principal está cerrado contra el asiento inferior mediante la acción de un resorte de oposición

La presión proveniente de la bomba pasa a la zona superior a través de un pequeño orificio realizado en el vástago . de esta manera de ambas caras de las válvula tenemos el mismo valor de presión, El nivel de presión de la cámara superior es mantenido mediante una pequeña válvula piloto de alivio directa controlada por la perilla de ajuste ,  cuando la presión de suministra supera el valor de ajuste del resorte de la válvula piloto el asiento de esta se retira permitiendo un drenaje de la cámara superior del vástago principal hacia el tanque este drenaje produce un descarga de presión que desbalancea el vástago principal forzándolo a abrir el asiento , esta apertura del asiento es proporcional a la diferencial de presión que existe, produciéndose entonces el alivio de la bomba hacia el tanque manteniendo en el circuito el valor de presión ajustado.

En la Fig. 5,5, en parte A , observamos el símbolo completo USA de la válvula de alivio , las varias partes corresponden a las reales en su construcción .

En la Parte B, vemos el símbolo simplificado de usa general en diagramas de circuito , donde la línea marcada como control remoto la distingue de las válvulas de alivio de acción directa.

CONTROL REMOTO DE VÁLVULAS DE ALIVIO POR ACCIÓN PILOTO

La mayoría de las válvulas de alivio operadas por piloto llevan una conexión externa de control que usualmente es de 1/4" B.S.P.T. Este orificio esta generalmente identificado por las letras RC, o por la palabra VENT, Para que las condiciones de control remoto de la válvula sean adecuadas es aconsejable no montar los sistemas de control a más de diez pies de la válvula principal.

En la Fig. 5.6 la válvula 1, es una pequeña válvula de alivio auxiliar instalada en un punto distante en la válvula de alivio principal y conectada al venteo mediante una cañería de un cuarto o 3/8". Esto permite al aperador controlar remotamente la presión de servicio.

La válvula 1 esta conectada en paralelo con la válvula 2  que es la sección piloto de la válvula principal, y que a su vez está controlada por un volante de ajuste. Cuando dos válvulas de alivio se encuentran conectadas en paralelo sobre la misma línea de presión hidráulica aquella que esta ajustada al valor más bajo tiene preponderancia sobra el circuito, es por ello que debemos tomar la siguiente precaución el volante de ajuste de la válvula principal debe estar colocando al valor más elevado de presión deseada, de esta forma la válvula de control remoto 1 puede ser ajustada a valores más bajos que el anunciado precedentemente. La válvula de control remoto nunca podrá ser ajustada a valores superiores fijados en la válvula 2.

Un uso común del control remoto es la colocación de válvulas de control remoto montadas en panel y conectadas mediante tuberías de pequeña sección, a los efectos de que los operadores puedan efectuar el control de un equipo a distancias .

La máxima separación de 3 metros es sugerida a causa de que con líneas más largas la respuesta tiende a ser perezosa , separaciones más largas son posibles en algunas instalaciones con adecuados tipos de válvulas de alivio.

En la Fig. 5.7 observamos un tipo de válvula de alivio de acción directa de tamaño reducido fabricada para ser utilizada como control remoto de una válvula de alivio principal.

VENTEO DE UNA VÁLVULA DE ALIVIO DE ACCIÓN PILOTO

En la Fig.5.8. la válvula (1) es una válvula de ventea, puede ser instalada en forma adyacente en la válvula de alivio principal a a una distancia de 3 metros.

Generalmente es una válvula a miniatura de apertura manual , accionada a solenoide, o por acción mecánica. Refiriéndonos al diagrama la operación es la siguiente: la conexión RC a la válvula principal es directa venteando ese orificio al tanque mediante la válvula exterior (1) ,  se reduce la presión al valor O , entonces el aceite proveniente de la bomba impulsa al vástago principal de la válvula de alivio hacia arriba y se produce una apertura libre de descarga al tanque.

El resorte principal que sostiene el vástago principal cierra este a valores relativamente bajos similares a los de tensión de una válvula de retención. Este valor crea una presión remanente cuando la válvula principal es venteada, valor que llega según las diferentes marcas de válvulas al nivel de 15 a 75 lbs/pulg.2.

La válvula (1) puede ser una válvula de dos vías normalmente, o normalmente abierta dependiendo ello de las condiciones en que vanos a utilizar el circuito, Usualmente una válvula normalmente abierta es preferida especialmente si es del tiempo tiempo de accionamiento a solenoide.

Reviendo la operación de ventea podemos decir: cuando la válvula remoto (1) está cerrada la válvula de alivio funciona en sus condiciones normales coma si el orificio RC estuviera taponado.

Cuando la válvula (1) es abierta, se alivia la presión de la cámara superior, provocando la apertura total de la válvula de alivio al tanque.

Accionamiento de las válvulas

Estos están referidos a la forma o el medio que se utiliza para desplazar el conmutador dentro de la válvula o el elemento de cierre. Pueden ser mecánicos (como muelles, rodillos, rodillos abatibles), manuales (pulsadores, palancas, pedales) y además accionados neumática e hidráulicamente.

En los accionamientos del tipo mecánico y manual, es necesario aplicar una fuerza directamente sobre el conmutador ya sea con palancas resortes o pedales, entre otros, en cambio en los accionamientos neumáticos y/o hidráulicos es la presión de un fluido que actúa sobre el conmutador la que genera la fuerza necesaria para provocar el desplazamiento, por otro lado puede generar también fuerza, la depresión del fluido para desplazar el conmutador.

Válvula hidráulica solenoide eléctrica.

La válvula de solenoide eléctrica funciona al suministrar corriente eléctrica al imán de la bobina, el campo magnético mueve el cuerpo de cilindro deslizante de la válvula, el cual dirige el aceite.

Cabe recordar que la única diferencia entre una válvula hidráulica / eléctrica y una válvula hidráulica ordinaria es la forma en que se mueve el cuerpo de cilindro.

Fig. 5.8A

Las válvulas de solenoide constan de una válvula de cartucho y una solenoide (Fig. 5.8A). Para desarmar la válvula quite el conjunto de la solenoide y luego destornille cuidadosamente el cuerpo de la válvula. Los anillos “O” y los sellos deberían ser reemplazados cada vez que se retire o reemplace el cuerpo de la válvula.

En el interior de la válvula de cartucho está el cuerpo de cilindro de la válvula, el inducido y el resorte del inducido. Las tolerancias de fabricación son extremadamente estrechas y se debe tener sumo cuidado al limpiar este tipo de válvulas.

Fig. 5.8B

Fig. 5.8C

Las Figura 5.8B y 5.8C son sólo para propósitos ilustrativos, para ver un despiece de ejemplo. La mejor forma de limpiar la válvula de cartucho es sumergirla en alcohol mineral limpio y utilizar una sonda para empujar el carrete interno hacia adentro y hacia fuera 20 o 30 veces para expulsar el material contaminante. El alcohol mineral no afecta el material de los anillos “O”.

Para obtener información adicional ( descarga de archivo pdf ), sobre el siguiente temario:

CURSO DE OLEHIDRÁULICA : INTRODUCCIÓN. DEFINICIÓN . CONVERSIÓN DE LA ENERGIA EN INSTALACIONES HIDRÁULICAS . CARACTERÍSTICAS. APLICACIONES DE LA OLEOHIDRÁULICA. BASES FÍSICAS DE LA OLEOHIDRÁULICA. MAGNITUDES UTILIZADAS EN HIDRÁULICA.. PRESIÓN.. PRESIÓN ATMOSFÉRICA . PRESIÓN MANOMÉTRICA O RELATIVA. PRESIÓN ABSOLUTA. DEPRESIÓN O VACÍO. ESCALAS GRÁFICAS DE PRESIÓN . EJERCICIOS. LEYES Y PRINCIPIOS FUNDAMENTALES. LEY DE PASCAL. PRENSA HIDRÁULICA . CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA. DERIVACIONES DE CAUDAL. CAlDA DE PRESIÓN Y CAUDAL A TRAVES DE UN ORIFICIO. PRESIÓN HIDROSTÁTICA. PRINCIPIÓ DE TRANSMISIÓN DE PRESIÓN. HIDRODINÁMICA. ECUACIONES DE FLUJO. PRINCIPIO DE CONTINUIDAD TEOREMA DE BERNOULLI . ESCALAS TERMOMÉTRICAS. EJERCICIOS. COMPONENTES DE UN SISTEMA HIDRÁULICO. ELEMENTOS QUE COMPONEN UNA INSTALACIÓN HIDRÁULICA. ¿ QUÉ HAY QUE SABER ?. CIRCUITO HIDRÁULICO SECCIONADO. REPRESENTACIÓN SIMBÓLICA DE UN CIRCUITO HIDRÁULICO. FUNCIONAMIENTO ESENCIAL DE UN CIRCUITO HIDRÁULICO. MOVIMIENTO DE AVANCE. MOVIMIENTO DE RETROCESO. FABRICANTES Y PROVEEDORES. GRUPO OLEOHIDRÁULICO. MANOMETROS . VÁLVULA DE PROTECCIÓN DE MANÓMETRO. MANTENIMIENTO. UTILIZACIÓN DE LOS MANÓMETROS. SELECTOR DE CIRCUITO PARA MANOMETRO. DEPÓSITOS. INTRODUCCIÓN. FUNCIONES DEL DEPÓSITO. TAMAÑO DEL DEPÓSITO. VERIFICACIÓN DEL VOLUMEN. CARACTERÍSTICAS CONSTRUCTIVAS DE LOS DEPÓSITOS. TIPOS DE DEPÓSITOS. CILINDROS OLEOHIDRÁULICOS. INTRODUCCIÓN. SIMBOLOGÍA. CONSTITUCIÓN DEL CILINDRO. MATERIALES EMPLEADOS EN LA CONSTRUCCIÓN DE UN CILINDRO. TIPOS DE CILINDROS. CILINDRO TIPO BUZO CILINDROS DE SIMPLE EFECTO. CILINDROS DE DOBLE EFECTO. CILINDRO TELESCÓPICO. CILINDRO DE DOBLE VASTAGO. CILINDRO DIFERENCIAL. CILINDRO CON AMORTIGUACIÓN. CILINDROS CON LIMITADORES DE CARRERA. CILINDROS DE GIRO. OTROS TIPOS DE CILINDROS. SUJECIÓN DE CILINDROS. CÁLCULO DE CILINDROS. Calcular la fuerza a una presión dada. Determinar la presión requerida para ejercer una fuerza determinada. Determinar la velocidad de un cilindro sabiendo su tamaño y el caudal de la bomba en I/min . Determinar el caudal necesario para conseguir una velocidad determinada. Ejercicios. PANDEO EN CILINDROS. DATOS A CONCRETAR EN LOS PEDIDOS. DEFECTOS O AVERÍAS EN CILINDROS. El cilindro no se desplaza. El cilindro se desplaza a poca velocidad. EFECTOS ORIGINADOS EN CILINDROS AL VARIAR UNA DE LAS VARIABLES. MEDIDAS NORMALIZADAS EN CILINDROS. CILINDROS COMERCIALES. EJERCICIOS A RESOLVER. VALVULAS DISTRIBUIDORAS. INTRODUCCiÓN. SIMBOLOGÍA Y NOMENCLATURA DE VÁLVULAS DISTRIBUIDORAS. DESIGNACiÓN DE LAS VÁLVULAS. CLASIFICACiÓN DE LAS VÁLVULAS DISTRIBUIDORAS. TIPO DE ACCIONAMIENTOS DE LAS VÁLVULAS. CLASIFICACIÓN DE LAS VÁLVULAS DISTRIBUIDORAS SEGÚN SU CONSTRUCCIÓN. VÁLVULAS ROTATIVAS. VÁLVULAS DE ASIENTO. VÁLVULAS DE CORREDERA . ELECTROIMANES PARA VÁLVULAS DISTRIBUIDORAS . TIPOS DE CENTROS PARA VÁLVULAS DE 3 POSICIONES . POSICIONES INTERMEDIAS DE UNA CORREDERA. . SUPERPOSICIÓN POSITIVA. SUPERPOSICIÓN NEGATIVA SUPERPOSICIÓN NULA. VÁLVULAS DISTRIBUIDORAS ELECTROPILOTADAS. VÁLVULA DIRECCIONAL ELECTROHIDRAULICA CENTRAJE POR RESORTES. VÁLVULA DIRECCIONAL ELECTROHIDRÁULICA, CENTRAJE POR PRESIÓN. BOMBAS HIDRÁULICAS. CARACTERÍSTICAS DE LAS BOMBAS. CLASIFICACIÓN DE LAS BOMBAS. BOMBAS NO VOLUMÉTRICAS. BOMBAS VOLUMÉTRICAS. CARACTERÍSTICAS DE LAS BOMBAS VOLUMÉTRICAS CILINDRADA. RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO. RENDIMIENTO TOTAL. PRESIÓN. VELOCIDAD DE ROTACIÓN. DURACIÓN . CLASIFICACIÓN DE LAS BOMBAS OLEOHIDRÁULICAS. BOMBA DE ENGRANAJES EXTERIORES. BOMBA DE ENGRANAJES EXTERIORES DOBLE. BOMBA DE ENGRANAJES INTERIORES. BOMBA DE LÓBULOS. BOMBA GEROTOR. BOMBA HELICOIDAL. BOMBA DE PALETAS. BOMBA DE PISTONES. BOMBA DE PISTONES AXIALES CON PLATINA INCLINADA, CILINDRADA CONSTANTE. BOMBA DE PISTONES AXIALES CON EJE INCLINADO DE CILINDRADA CONSTANTE. BOMBA DE PISTONES RADIALES.

VÁLVULAS DE PRESIÓN. VÁLVULA LIMITADORA DE SEGURIDAD VÁLVULA LIMITADORA DE PRESIÓN VERSIÓN CARTUCHO. VÁLVULA DE SEGURIDAD PILOTADA O DE MANDO INDIRECTO. VÁLVULA DE SEGURIDAD PILOTADA CON ORIFICIO "VENTING. VÁLVULA DE SECUENCIA DE MANDO DIRECTO. VÁLVULA DE SECUENCIA DE MANDO INDIRECTO. VÁLVULA REDUCTORA DE TRES VÍAS DE MANDO DIRECTO. VÁLVULA REDUCTORAS PILOTADAS. VÁLVULA DE DESCARGA PARA DESCONEXIÓN DE ACUMULADORES. VÁLVULA DE DESCARGA. VALVULA DE DOS ETAPAS. VÁLVULA DE CONTRAPRESIÓN O DE EQUILIBRAJE. VÁLVULA DE FRENADO. VÁLVULA DE SEGURIDAD TIPO R . VÁLVULA DE SECUENCIA TIPO R .VÁLVULA DE DESCARGA TIPO R . VALVULAS DE CIERRE. VÁLVULA ANTIRRETORNO SIMPLE. VÁLVULA ANTIRRETORNO PILOTADO SIN DRENAJE. VÁLVULA ANTIRRETORNO CON DRENAJE. DOBLE ANTIRRETORNO PILOTADO. VÁLVULA ANTIRRETORNO PILOTADO TIPO "4C". VÁLVULA ANTIRRETORNO PILOTADO TIPO "2C". VÁLVULA DE PRELLENADO. PLACA RECTIFICADORA DE FLUJO. VALVULAS DE FLUJO. SISTEMAS DE REGULAR EL CAUDAL . REGULACIÓN A LA ENTRADA. REGULACIÓN A LA SALIDA. REGULACIÓN POR SUBSTRACCIÓN. CAUDAL DE PASO A TRAVÉS DE UNA ESTRANGULACIÓN. VÁLVULA ESTRANGULADORA. VÁLVULA ESTRANGULADORA CON ANTIRRETORNO.VÁLVlJLA ESTRANGULADORA DE DIAFRAGMA CON ANTIRRETORNO PARA BLOQUES. VÁLVULA ESTRANGULADORA NORMAL DOBLE CON ANTIRRETORNO. VÁLVULA DE DlAFRAGMA. VÁLVULA REGULADORA DE CAUDAL. VÁLVULA REGULADORA DE CAUDAL NO REGULABLE. VÁLVULA REGULADORA DE TRES VIAS. VÁLVULA REGULADORA DE CAUDAL COMPENSADA POR TEMPERATURA . VÁLVULA DE FRENADO. Q-METRO-ANTIRRETORNO. PRÁCTICAS SOBRE PANELES DIDÁCTICOS. PRÁCTICA N° 1.- GENERACIÓN DE PRESIÓN. PRÁCTICA N° 2.- COMPROBAR EL ESTADO DE LA BOMBA. PRÁCTICA N° 3.- VÁLVULA LIMITADORA SIMPLE. PRÁCTICA N° 4.- CILINDRO DE DOBLE EFECTO. PRÁCTICA N° 5.- MULTIPLICADOR DE PRESIÓN. PRÁCTICA N° 6.- VÁLVULA ESTRANGULADORA DE CAUDAL. PRÁCTICA N° 7.- VÁLVULA REGULADORA DE CAUDAL. PRÁCTICA N° 8.- VÁLVULA DE SECUENCIA PRÁCTICA N° 9.- CIRCUITO SECUENCIAL. PRÁCTICA N° VÁLVULA REDUCTORA DE PRESIÓN. PRÁCTICA N° 11.- VÁLVULA ANTIRRETORNO PILOTADA. PRÁCTICA N° 12.- CIRCUITO CON VÁLVULA ANTIRRETORNO PILOTADA. PRÁCTICA N° 13.- AVANCE DEL CILINDRO SIN SACUDIDAS. PRÁCTICA N° 14.- AVANCE RÁPIDO, TRABAJO LENTO. CIRCUITOS HIDRÁULICOS INDUSTRIALES. 14.- SIMBOLOGIA. > Haga clic aquí para acceder a ese contenido

 

CIRCUITOS DE CONTROL REMOTO PARA VÁLVULAS DE ALIVIO OPERADAS POR PILOTO

En la Fig. 5.9, observamos una combinación de ventea y reducción de presión . La válvula de control remoto (1)  puede ser accionada en forma manual a a través de una solenoide. En su posición central tiene la presión conectada a tanque y la salida al cilindro bloqueadas. Cuando el Solenoide A es energizado , la línea de venteo es bloqueada y la válvula (3)  funciona normalmente como una válvula de alivio. Cuando el solenoide 8 es energizado,  la conexión RC es conectada a la válvula 2 asumiendo entonces el circuito la presión ajustada en esta. 

En la Fig. 5.10 observamos un sistema de presiones múltiples , con la válvula (1) en posición central, la conexión RC está bloqueada, y el sistema se encuentra operando al máximo valor de presión ajustado en el volante de la válvula principal (4). Cuando el solenoide A o B son energizados la conexión RC es conectada a las válvulas de control remoto 2 o 3 que colocan el

circuito a sus correspondientes valores de ajuste. 

Es realmente ilimitado el numero de niveles de presión que pueden ser obtenidos de esta forma pero siempre el valor máximo de presión debe quedar fijado en la válvula 4.

VÁLVULAS BY PASS, 0 VÁLVULAS DE SECUENCIA Y DESCARGA

La válvula hidráulica by-pass , que observamos en las ilustraciones cumplen propósitos generales en el control de la presión de un circuito hidráulico, pueden operar como contrabalanceo,  secuencia , descarga  y otras funciones requeridas por una válvula de dos vías operada .

En la fig. 5.11 en su parte A vemos el corte básico de una válvula de by-pass sin retención incorporada para el libre flujo en sentido inverso. Un uso común para estas válvulas es descarga de bombas, en estos casos el flujo siempre es de la entrada a la salida, y nunca en dirección opuesta.

 

En la parte B ,  vemos el corte básico con la adición de una válvula de retención incorporada, Su uso común es el de secuencia a contrabalanceo, cuando el flujo debe ser reverso durante una parte del ciclo.

La válvula de by-pass a válvula de secuencia es una válvula de dos vías, normalmente cerrada y operada por piloto, el vástago compensado a la presión se encuentra en posición normalmente cerrada mediante la acción de un resorte ajustable. 

La válvula puede ser abierta mediante la aplicación de una presión piloto en el extremo del vástago opuesto al resorte, la tensión de este determina el nivel de la presión piloto necesaria para efectuar la apertura de la válvula.

SUMINISTRO PILOTO La válvula esta realizada para recibir señales piloto procedentes del suministro interno de presión o de un suministro externo, conectado en la conexión piloto externo. Si el suministro piloto es externo, el pasaje interno debe ser bloqueado mediante un tapón en algunos modelos de válvulas este pasaje interno es bloqueado mediante la rotación de la tapa inferior de la válvula 180º .

El suministro de presión piloto externo es empleado en los casos de descarga de bomba y en cierto tipos de contrabalanceo. El pilotaje interno es empleado en otros casos de contrabalanceo y para aplicaciones de secuencia.

Drenaje. Es necesario una especial atención para el venteo a drenaje de la cámara en la cual actúa el resorte del vástago principal de la válvula by-pass a secuencia. La cámara donde actúa el resorte debe ser venteada aproximadamente a presión atmosférica, cuando el vástago se mueve el volumen de la cámara del resorte varía , de esta forma necesitamos mantener esta cámara a presión atmosférica a los efectos de no interferir la acción del vástago principal. Un drenaje externo es provisto en la válvula y debe ser conducido al tanque sin restricciones apreciable.  En muchos circuitos la cámara del resorte puede ser drenada hacia el conducto de la salida principal de la válvula y para obtener ello podemos abrir el pasaje del drenaje interno que normalmente se encuentra taponado. En muchos tipos de válvulas puede obtenerse el drenaje interno a externo mediante la simple rotación de 180º de la tapa superior,

Podamos  tomar como patrón para efectuar los drenajes de una válvula de secuencia o descarga el siguiente axioma: sólo podamos drenar internamente una válvula de descarga o secuencia,  cuando su conexión principal de salida va dirigida al tanque.

 

APLICACIONES DE LA VÁLVULA BY PASS

En la Fig. 5.12 podemos observar un sistema de presión alta y baja mediante el empleo de una bomba de baja presión PF-1 y una de alta presión y pequeños volumen PF-2 . 

El circuito esta realizado para proveer un alto volumen de aceite procedente de ambas bombas a baja presión, para producir el rápido avance de un cilindro hasta el punto de trabajo. Cuando se llegue a este punto la bomba PF-1 debe ser automáticamente descargada,  empleando la válvula by pass quedando entonces. aplicada toda la potencia del motor eléctrico para mover la bomba de alta presión PF-2. En este circuito la válvula 1 es la by pass,  2 es la válvula de alivio del circuito y 3 es la válvula de retención que aísla ambas bombas.

Para esta aplicación la válvula 1, que alivia la bomba PF-1 es externamente pilotada desde la bomba PF-2. Siendo que la salida principal de la válvula 1 está permanentemente conectada al tanque , ella está drenada internamente tal como su símbolo . La presión a la cual la válvula 1 descargará la bomba al tanque es controlada mediante su volante de ajuste. La acción de la válvula 1 es diferente a la de la válvula de alivio en este circuito . Si empleáramos una válvula de alivio en reemplazo de la válvula 1, cuando la bomba PF-1  llegue al valor ajustado aliviará la bomba PF-1 a ese valor permanente esto producirá un calentamiento como así también una demanda de potencia del motor eléctrico . Empleando una válvula by-pass,cuando esta es descargada por la señal piloto procedente de la otra bomba la bomba PF-1 es completamente descargada y consume solamente la potencia necesaria para las pérdidas por fricción no generando calor en el sistema hidráulico.

La válvula de retención 3 en este circuito proviene a la bomba PF-2 de la descarga cuando PF-1 está conectada al tanque. La válvula 2 de alivio cumple la función de regular la presión general del sistema .

En la Fig. 5,13 observamos un cilindro hidráulico soportando un peso ,este debe ser contrabalanceado para prevenir su caída libre y descontrolada cuando la válvula direccional 2 es cambiada.

Si no se contrabalanceara el cilindro caería rápidamente por la gravedad produciendo vacío ya que no podría ser satisfecha la demanda mediante el caudal de la bomba,

La válvula 1 es la válvula de contrabalanceo conectada por piloto interno, y drenaje externo , su volante es ajustado usualmente a una presión ligeramente superior para soportar la carga sin la acción ido la bomba. Es necesario llevar este valor al mínimo a los efectos de no sustraer fuerza en el movimiento de descenso del cilindro . Para asta aplicación la válvula by-pass tiene válvula de retención incorporada para que el circuito no pueda funcionar normalmente en la carrera de retracción , de esta forma el flujo de aceite reverso es libra hacia el extremo delantero del cilindro .

Un drenaje externo es recomendado en esta aplicación , ya que de hacerla en forma interna los pequeños volúmenes de aceite de la cámara del resorte quedarían dirigidos a la cámara delantera del cilindro produciendo este un movimiento no deseable.

En la Fig., 5.14 la válvula by-pass es empleada para permitir desplazamiento de un gran volumen de aceite asistiendo en la función a una válvula de cuatro vías llamada válvula 2,  dispuesta de tal forma que descarga el caudal de aceite proceden te de la cara ciega del cilindro cuando este se retrae .

Cuando se emplean cilindros con vástagos de gran diámetro , el aceite descargado de la cara ciega puede ser considerablemente mayor que el volumen de la bomba .

En el caso de una relación 2:1 en radio de cilindros el volumen desplazado por la ciega es dos veces el volumen de la bomba , esto implica el empleo de una válvula de cuatro vías de gran tamaño para evitar ello el agregado de una válvula 1 by-pass como ayudante opera de la siguiente forma: para este caso la válvula es conectada con operación de piloto externo esta operación de piloto proviene de la conexión de

cilindro opuesto. La válvula puede ser drenada internamente ya que su descarga principal esta conectada permanentemente al tanque,

En uso la válvula 1 es ajustada a un nivel de presión ligeramente superior al valor de presión de retorno en la carrera de retroceso del cilindro,  es por eso que cuando el cilindro hace su carrera de avance la válvula 1 permanece cerrada y la acción del circuito es normal, Cuando el cilindro hace su carrera de retroceso la presión piloto abre la válvula 1 , permitiendo un flujo adicional al tanque.  La acción es enteramente automática.

En la Fig., 5,15 la válvula by-pass es utilizada como válvula de secuencia para permitir el avance de cilindros en una predeterminada secuencia.

 

El operador inicia el ciclo cambiando la válvula de cuatro vías 2.

El aceite es dirigido al cilindro 1 provocando su avances.  El aceite no puede pesar a través de la válvula de secuencia 1 hasta que la presión en ese circuito no haya alcanzado el valor de ajuste de la válvula 1 . Cuando esto sucede,  el cilindro 2 avanza, la válvula de secuencia 1 efectúa un trabajo de registro manteniendo una presión constante en el cilindro 1 a igual al ajuste de su resorte de carga.

Cuando el cilindro 2 alcanza el máximo de su carrera la válvula de secuencia se abre totalmente quedando aplicado entonces la presión total de la bomba en ambos cilindros 

Es imperativo un drenaje externo en la válvula 1 a los efectos de que el total de la presión quede aplicado a ambos cilindros. De emplearse un drenaje interno los cilindros dividirán la presión entre ellos y ninguno de ellos recibiría el total de la presión .

En el circuito se ilustra otro punto importante . Una válvula de control de flujo es empleada para controlar la velocidad de avance del cilindro 1. En estas condiciones la válvula de secuencia debe ser conectada con piloto externo, ese punto de conexión debe ser tomado procedente directamente de la conexión del cilindro, Si esto no fuera así el incremento de presión que se produce antes de la restricción operaría la válvula de secuencia en forma prematura.

VÁLVULAS HIDRÁULICAS DE REDUCCIÓN DE PRESIÓN .

En la Fig. .5.6 aparece el corte esquemático y constructivo de una válvula de reducción de presión como así su símbolo completa y simplificado. 

Fig. 5.16

Refiriéndonos a la parte A de la figura, la válvula reductora de presión mantiene una presión reducida a su salida, independientemente de la presión más elevada en su entrada. El vástago de la válvula, en operación , asumen una posición intermedia controlando el flujo de tal manera de mantener la presión a la salida al valor deseado.

Si la presión en la salida tiende a su superar el valor de ajuste, el vástago se mueva hacia la derecha por la acción de la presión piloto en su cara izquierda, previendo de esta manera un incremento por sobre el valor de ajuste .

En nivel deseado de presión de salida es establecido no por el resorte principal sino por el valor de la presión de aceite, que es mantenida mediante una pequeña válvula de alivio controlada por el operador. El orificio de conexión a ésta válvula de alivio es de pequeño diámetro a los efectos de que pueda ser evacuado por la pequeña válvula de alivio .

Cuando el aceite pasa a través de la válvulas su vástago continuamente regula  el flujo a los efectos de mantener una presión constante a la salida. Si el flujo de aceite cesa es decir si un cilindro llega al final de su. carrera , el vástago de la válvula accionado por la presión piloto en su cara derecha , se mueve completamente hacia la derecha previniendo un incremento de presión estática en la cara de salida, El vástago en condiciones estáticas  ,drena a través de la válvula de alivio piloto, no permitiendo un incremento de la presión de salida.

Si la presión de entrada es tan baja como la del valor de ajuste de la válvula , el vástago se mueve completamente hacia la izquierda  trabajando en condiciones de flujo libre a través dé la válvula .

En esas condiciones obviamente la presión de salida es igual a la presión de entrada. 

Las válvulas reductoras de presión deben construirse mediante el adicional de válvulas de retención en paralelo para permitir el flujo reverso de aceite durante ciertas partes del ciclo de un circuito. Esto es comparable a la válvula de retención que hemos visto aplicadas en las válvulas by-pass.

Todas las válvulas reductoras de presión están provistas de una conexión de drenaje externo este debe ser siempre llevado al tanque en los circuitos. Esto se hace para cumplir dos propósitos :

1)Sin ese drenaje la válvula jamás podría mantener una presión constante con referencia a la presión atmosférica. 

2) Sin este drenaje la válvula no podría mantener un valor constante de reducción de presión independientemente de las condiciones de presión de entradas .

Una de las aplicaciones más comunes de la válvula reductora de presión es cuando en un determinado punto del circuito deseamos trabajar a una presión inferior que la presión máxima de servicio. 

En la Fig. 6.17 observamos esto,

La válvula de alivio principal no 2  está regulada a 5.000 lb./pulg²  la válvula reductora de presión 1 está regulada para una presión de 1.000  lb./pulg²  .

Si un circuito está conectado a la válvula reductora de presión llega a un punto de parada,  por ejemplo un cilindro al extremo de su carrera, el vástago de la válvula reductora de presión 1, se cierra totalmente impidiendo de esta forma que la presión se incremente dentro del cilindro más allá del valor deseado. Esto sucede independientemente del resto de las condiciones de funcionamiento del circuito.

En la Fig.  5.18 estamos frente el caso de un cilindro que debe efectuar su carrera de avance a máxima presión mientras que la carrera de retroceso deseamos que se efectúe a valores menores, a los efectos de lograr esto , la válvula reductora de pensión 1 actúa situada entre la válvula de comando 2 y  la cara delantera del cilindro cuando la válvula se encuentra en la posición del dibujo el aceite procedente de la bomba ingresa a la cara delantera del cilindro a través de la válvula reductora al valor fijado por el resorte de regulación en ella.

La válvula de retención dispuesta en paralelo permite el flujo libre cuando el cilindro efectúa la carrera de avance, retornando entonces  el aceite procedente de la cámara delantera libremente al tanque a través de la válvula de comando.

En la Fig. 5.19 en este circuito , el total de la presión de la bomba es requerida para el cilindro de trabajo pero la presión debe ser limitada en su valor para el cilindro de sujeción

La válvula reductora de presión 1, está instalada en la línea de ingreso a la válvula direccional nº 2 que comanda el cilindro de trabajo por este motivo y siendo en esa línea, el flujo unidireccional, esta válvula no necesita tener una válvula de retención en paralelo.

En la Fig. 5.20 podemos observar el control remoto de una válvula reductora de presión. En el ejemplo usamos una válvula de dos vías normalmente abierta e instalada sobre la línea de drenaje de la válvula reductora de presión 1.  Con la válvula 2 abierta la válvula reductora trabaja normalmente entregando una presión reducida a su salida, con la válvula 2 cerrada la válvula reductora pasa a queda inoperativa como tal y da a su salida la misma presión que a su entrada.

Si en lugar de conectar en el drenaje una válvula como la 2 conectamos una válvula de alivio , el operador puede variar la presión de salida en cualquier valor entre 0 y la presión máxima de entrada a la válvula reductora . 

MANTENIMIENTO DE UNA PRESIÓN

En muchas aplicaciones, como la laminación y las prensas de moldeo, es necesario mantener la presión en el cilindro de actuación durante un determinado periodo . 

Esta es posible, por supuesto, hacerlo en forma simple mediante la constante aplicación de la presión de la bomba en giro, pero sabemos que el caudal de la bomba será descargado a través de la válvula de alivio siendo esto incorrecto debido a la temperatura que se genera en el circuito hidráulico y al consumo de potencia que ello implica.

Estas limitaciones hacen que debamos buscar otros medios de mantener presiones durante ciertos periodos dentro de los cilindros.

En la Fig. 5.21 parte A, vemos un corte esquemático constructivo de una válvula de retención comandada. El flujo libre tiene una dirección desde la entra da (IN) y hacia la salida ( OUT) , su acción en sentido inverso es el de una válvula de retención ordinaria. Sin embargo, el flujo que en la dirección reversa se encuentra bloqueado puede ser liberado mediante la aplicación de una presión en la cámara piloto.

AB

Fig. 5.21

En la parte B, de esta misma figura vemos un típico circuito empleando una válvula de retención comandada, Cuando el cilindro efectúa su carrera de descenso y ejerce presión puede centrarse la válvula de comando actuando entonces como retención de la presión en la cámara ciega del cilindro la válvula de retención comandada.

Para la carrera de elevación de este cilindro , al efectuarse el suministro a través de la válvula de comando, a la cara del lado del vástago queda aplicada una presión piloto a la válvula de retención abriéndose esta y permitiendo la evacuación del aceite procedente de la cara ciega del cilindro.

Estos circuitos son efectivos únicamente cuando el cilindro absolutamente estanco entre cámaras , es preferible el empleo en estos casos de pistones con guarniciones de múltiples " V" de tipo sintético.

En la Fig. 5.22 , la adición de un pequeño acumulador en la línea al cilindro permite resolver los problemas del mantenimiento de la presión .

El acumulador usualmente de aproximadamente 1/2 galón , es llenado cuando se produce la carrera de descenso del cilindro , en la entrada en la válvula  el aceite acumulado  a presión se encarga de mantener la presión dentro de la cámara ciega del cilindro compensando las perdidas que pudieran existir.

Es de hacer notar que el acumulador no mantiene en forma absolutamente constante el nivel de presión,  y desciende a medida que el acumulador se descarga .

En la Fig. 5.23 observamos que dos bombas , la PF-1 y PF-2 están combinadas para entregar la suma de sus volúmenes a los efectos de obtener una velocidad deseada. Ambas bombas están preparadas para la máxima presión del circuito. Cuando la prensa y el cilindro de cierran y se requiera el total de la presión, la válvula 1 puede ser operada enviando la bomba PF-1 al tanque, permitiendo entonces que toda la potencia del motor eléctrico quede aplicada a la bomba PF-2 , a plena presión regulada por la válvula de alivio 2.

La bomba PF-2 es de pequeño volumen, solamente del necesario para compensar las pérdidas que pueden ocasionarse en el circuito detenido. En la figura 5.24 vemos un multiplicador de presión -aire aceite, de acción reciproca, continua automática, puede mantener una presión constante de mantenimiento por un

tiempo indefinido sin afectar absolutamente para nada las condiciones del circuito hidráulico en general . 

Como observamos en este circuito en posición centrada,  la válvula de comando debe comenzar a accionar el multiplicador de presión que se encargará de mantener la presión constantemente en la cara ciega del cilindro.

Es necesario tomar algunas precauciones en los circuitos de mantenimiento de presión que emplean válvulas de cuatro vías con salidas bloqueadas el cilindro tales como las que hemos vista en las Fig.. 5.22 y 5,23, ligeras perdidas que pueden producirse a través del pistón del cilindro se irán acumulando en la cara correspondiente al vástago , produciendo una fuerza contraria en el área expuesta del pistón . Un manómetro instalado en la cara del lado del vástago nos indicará la existencia de una presión elevada durante el trabajo de mantenimiento de presión del circuito .

Esto hace necesario el empleo de válvulas de cuatro vías con un centro de vástago como el que muestra la Fig. 5.24 , donde una de las conexiones del cilindro en este caso la del lado del vástago está conectada a tanque junto con la bomba, de esta forma son evacuadas las posibles perdidas a través del pistón . Puede ser necesario en este caso adicionar una válvula de contrabalanceo como la que aparece en líneas punteadas para cuando se deseen efectuar detenciones intermedias de este cilindro.

En la Fig. 5.25 en las bombas de pistones existe a veces la posibilidad  de aislar mediante un circuito separados uno o más pistones , quedando de esta manera, a partir de una sola bomba dos circuitos diferentes.

La válvula 1 de alivio controla el flujo principal, mientras que la  válvula de alivio 2 controla la presión de los pistones que han sido aislados en circuito separado .

En este circuito los pistones aislados proveen la presión de sostén , mientras que el flujo principal de la bomba es enviado al tanque a través del centro de la válvula 3.

DESCARGA DE BOMBAS

La potencia electrica aplicada al movimiento de una bomba , cuando no es convertida en energía mecánica, lo es convertida en el calentamiento del aceite hidráulico . De esto surge que es necesario descargar las bombas de los circuito-hidráulicos cuando estos se encuentran en una posición pasiva evitándose en consecuencia consumo de energía eléctrica y calentamiento del circuito hidráulico .

La forma mas simple de descargar una bomba es proveyendo una válvula de globo o de esclusa , válvula 1 de la Fig. 5,26, la que puede ser operada manual mente por el operador permitiendo que el aceite bombeado circule al tanque con una muy pequeña contrapresión .

En la parte B de esta misma figura la descarga es complicada mediante el venteo de la válvula de alivio principal 2 , que es del tipo operada por piloto, este sistema es particularmente usado en bombas de gran desplazamiento, donde se requeriría una válvula manual de gran tamaño y que generalmente sería pesada de utilizar por el operador.- En este circuito la válvula 1 manual o accionada B eléctricamente puede ser del tamaño de 1/4" suficiente para ventear la válvula de alivio nº2 siendo su operación remota,  esta válvula puede estar ubicada en el lugar más conveniente para el operador.

RETRACCIÓN A BAJA PRESIÓN

En la Fig. 5.27 observarnos que cuando un cilindro requiere únicamente una pequeña presión para su retorno , una válvula de alivio separada, puede ser instalada en la cara del lado del vástago del cilindro de esta forma la presión que va a retraer el cilindro quedará determinada por el ajuste de esta válvula de alivio.- Cuando el cilindro se halle completamente retraído y alcance el final de su carrera la bomba descargará al tanque a través de esta válvula de alivio. En la carrera de avance del cilindro toda la presión estará aplicada para realizar el trabajo y regulada por la válvula de alivio principal nº2 . 

Este método es recomendado para sistemas de 5 HP o menos siempre y cuando la válvula 1, no está ajustada a valores superiores a las 150 lb./pulg.²  Para equipos mayores aparecen problemas de calentamiento.

VÁLVULAS DE COMANDO DE CENTRO TANDEM O CENTRO ABIERTO

En la Fig. 5.26. A vemos una de las populares formas de descargar una bomba hidráulica particularmente para sistema controlados manualmente.

En la posición central de la válvula, el aceite es aislado en ambas caras del cilindro mientras que la bomba debe descargar libremente al tanque a través del vástago de la válvula. Este sistema, de operación automática no requiere atención por parte del operador. La mayoría de los equipos móviles que usan  circuitos hidráulicas llevan válvulas de este tipo, Generalmente la válvula de alivio se encuentra incorpora da en la construcción de la válvula de comando.

En la Fig. 5.28 B estamos frente a un caso de centro abierto, su acción es similar en cuanto a la descarga de la bomba . Su aplicación es frecuente en el control de motores hidráulicos a causa de la que las conexiones al cilindro se encuentran  abiertas al tanque en su posición central permitiendo de esta forma una detención natural  del movimiento del motor . 

CONTROL DE CILINDROS MÚLTIPLES.  

Varias válvulas tandem o de centro abierto pueden ser unidas en una disposición de serie como muestra la Fig.  5.29 .

En este casa las válvulas estén operados por solenoides, un solo cilindro puede ser operado a cada tiempo, con el total de la presión y volumen de la bomba, si más de uno de ellos es operado en fama simultánea queda dividida la presión aplicada.

Cuando todas las válvulas de encuentran centradas , la bomba queda descargando al tanque a través de sus vástagos conectados en serie.

En la figura 5.30, observamos un circuito tandem modificando esta disposición que emplea la combinación de válvulas de centro cerrado con válvulas de centro tandem.

Cuando todas se encuentran en posición centrada la bomba es descarga a través del centro de la primera válvula no permitiéndose en este caso  la operación de las dos restantes.

Este circuito puede ser empleado únicamente en aquellos lugares donde la primera válvula debe ser operada antes de la operación de la segunda y tercera. Existen muchos casos donde se dan estas condiciones siendo mejor esta disposición que la que hemos vista anteriormente.- Esta disposición es un excelente circuito de seguridad para prevenir una segunda o tercera operación cuando la primera no ha sido realizada .

En la Fig. 5.31 observamos la descarga de una bomba a través de una bomba mediante una válvula accionada mecánicamente , esta válvula n° 2 es accionada por el movimiento del cilindro o por un órgano de la máquina en movimiento.  Cuando el cilindro llega al extremo final de su carrera  acciona la válvula 2 descargándose entonces el aceite procedente de la válvula de comando 1 a través de la válvula 2 directamente al tanque.

 

En la figura 5.32 observamos un banco de válvulas de operación a operación de cilindro.

Un banco de válvulas contiene dos a más vástagos y usualmente la válvula de alivio incorporada en el mismo cuerpo. Algunas son accionadas a solenoide , pero en la mayor parte de los casos son accionadas manualmente . Mediante la combinación de válvulas es posible obtener diversas funciones que no son obtenibles mediante la conexión individual de válvulas. Por otra parte se obtienen unidades mucha mas compactas. Hay una infinidad de tipos de bancos de válvulas. Algunas tienen sistemas de presión en serie, otras sistemas de alimentación de presión en paralelo, algunas permiten únicamente una alteración a cada tiempo, tal como el de la figura.

Adicionando distintos tipos de vástago es posible accionar cilindros de doble efecto, simple efecto, flotantes, de centro totalmente abierto y otros.

Las válvulas de este conjunto conforman un circuito que permite una función a cada tiempo cortando la alimentación de presión a los otros vástagos cuando uno de ellos es accionado.

Línea de alimentación de alta presión : Es un importante elemento obtenido únicamente mediante el empleo de bancos de válvulas. Las válvulas están construidas de  tal forma que descargan el aceite procedente de un cilindro directamente al tanque, y no pasando a través de los vástagos de las otras válvulas. En bancos de 10 ó 12 válvulas se presentarían elevadas perdidas de carga si la descarga de los cilindros tuviera que pasar a través de los vástagos de todas las válvulas .

La alimentación de presión una vez que ha pasado el banco de válvulas puede alimentar estando estas están en posición central a otro, a otros circuitos hidráulicos y en caso de que no los hubiera ser conectada al tanque tal como lo indica la línea punteada.

En la Fig. 5.33 observamos un circuito para efectuar la descarga automática por medios eléctricos de una bomba. El método general para conectar una válvula de descarga a solenoide como la válvula 1, en un circuito eléctrico donde se emplea una válvula de control direccional como la 2 es disponer las cosas de tal forma que cuando se energicen cualquiera de los solenoides de la válvula 2 sea energizado automáticamente el solenoide de la válvula 1 colocando el circuito en presión .

La acción es la siguiente: Cuando ninguno de los pulsadores está actuado , la válvula de dos vías 1 se encuentra abierta y descargando al tanque, mientras que la válvula direccional 2  está en posición central. Cuando el pulsador 4, es actuado se operan dos circuito eléctricos,  uno hacia la válvula de dos vías 1, que provoca la entrada en presión de la bomba y el otro que cambia la válvula direccional provocando el movimiento de un cilindro .

Este método puede sur aplicado en circuitos donde se empleen un gran número de válvulas direccionales a solenoide.

CONTROL DE LA VELOCIDAD EN CIRCUITO HIDRÁULICOS .  

Cuando se emplean bombas de desplazamiento positivo existen cuatro métodos comunes de variar la velocidad de salida del circuito hidráulico. Pudiendo de este

manera controlar el volumen del flujo hacia un cilindro, motor hidráulico, o actuador :

1. Controlando el flujo que ingresa o sala de un cilindro motor, etc. , 2. Descargando una parte del caudal entregado por la bomba ; 3. Empleando un motor de velocidad variable acoplado a la bomba. 4. Variando el desplazamiento de la bomba.

Válvulas Reguladoras de Caudal

Las aplicaciones de los reguladores de caudal (también reguladores de flujo) no están limitadas a la reducción de la velocidad de los cilindros o actuadores en general, pues además tienen gran aplicación en accionamientos retardados, temporizaciones, impulsos, etc. Los reguladores de caudal pueden se unidireccionales y bidireccionales.

En los reguladores bidireccionales el flujo es regulado en cualquiera de las dos direcciones. Tienen su principal aplicación cuando se precisa idéntica velocidad en uno y otro sentido del fluido.

Hay otros casos en los que se precisa que la vena fluida sea susceptible de regularse en una dirección, pero que quede libre de regulación en la dirección contraria. En estos casos se recurre al empleo de reguladores de caudal unidireccionales.

Las válvulas reguladoras bidireccionales, representan en palabras simples, una estrangulación en el conducto por el cual fluye el fluido, con lo cual se le restringe el paso, sin embargo la válvula de regulación unidireccional, está constituida a su vez, por otras dos válvulas; una de retención y otra que permite regular el caudal.

VÁLVULAS DE USO COMÚN PARA EL CONTROL DE LA VELOCIDAD .

Válvula de aguja

En la Fig. 5.34 observamos una válvula de aguja. Después de entrar en el cuerpo de una válvula de aguja, el flujo gira 90° y pasa a través de una abertura que es el asiento de la punta cónica de una barra cilíndrica. En este caso el tamaño del orificio se regula variando la posición relativa de la punta cónica respecto a su asiento. El tamaño del agujero se puede variar de manera muy gradual gracias a un tornillo de paso muy pequeño que tiene el vástago de la válvula, y a la forma de cono que tiene la punta de la barra cilíndrica.

La válvula de aguja es el orificio variable que se usa con mayor frecuencia en los sistemas industriales.

Otros tipos de válvulas como la de  globo, esclusa , de tapón, de esfera, pueden ser utilizadas para comprobar el flujo, si bien la válvula de aguja es preferible por su mejor control de  calidad . Es aplicable tanto en circuito de alta o baja presión con un costo relativamente reducido.

En la Fig. 5.35 observamos una válvula de control de flujo de construcción sencilla, ella está compuesta por una válvula de retención que permite el libre flujo reverso , y una válvula de aguja que efectúa el control del flujo en una de sus direcciones .

Puede ser utilizada en circuitos hidráulicos compresiones de hasta 3.000 lb./pulg²  y estando construida en acero para compresiones de hasta 5.000 lb./pulg² . 

Válvula de retención (check, clapet, de bloqueo o antirretorno)

Es una válvula que permite la circulación del fluido en un solo sentido, en la dirección contraria se cierra impidiendo el paso. La obturación del paso puede lograrse con una bola, disco, cono, etc., impulsada por la propia presión de trabajo o bien con la ayuda complementaria de un muelle.

En la Fig. 5.36. observamos otro diseño de válvula de control de flujo no compensada. Esta válvula cuyo corte vemos en la figura, ajusta el valor del flujo mediante la acción del  volante permitiendo el flujo libre en la dirección opuesta .

 Fig. 5.36

En la dirección del flujo libre del fluido empuja el resorte que carga la clapeta pasando libremente en el sentido controlado, la clapeta se encuentra cerrada

contra el vástago ajustable, quién con su posición determina el tamaño de orificio de control.

Este sistema de válvula de control no es adecuado para flujos pequeños.

En la Fig. 5.36A observamos una válvula de control de flujo sin regulación. Consta ella de una simple válvula de retención cuya clapeta tiene un orificio de restricción fija, Cuando el flujo en la dirección controlada ingresa a la válvula su valor de pasaje queda determinado por el orificio de restricción .

En la dirección opuesta el aceite al ingresar empuja la clapeta venciendo la tensión del resorte y pasa libremente hacía la salida.

Válvula de compuerta

La trayectoria que sigue el flujo cuando atraviesa por una válvula de compuerta siempre es recta y pasa justo por el centro de ésta. El tamaño del orificio se modifica haciendo girar el vástago de la válvula, acción que mueve una compuerta o cuña que se interpone en la trayectoria del flujo.

Las válvulas de compuerta no están diseñadas para regular caudal, pero se les usa con este fin cuando sólo se requiere una regulación gruesa del caudal.

Válvula de esfera

La trayectoria a través de una válvula de esfera no es recta; después de entrar en el cuerpo de la válvula, el flujo gira 90° y pasa a través de una abertura, en la que se asienta un tapón o una esfera. La distancia entre tapón (o esfera) y asiento se puede variar a voluntad, lo que permite regular el tamaño del orificio.

Válvula reguladora de presión

Una válvula reguladora de presión tiene por misión mantener en línea sistema un valor de presión constante aún si la red de alimentación tiene presiones de valor oscilante y consumos variables.

Campo de aplicación

Alimentación centralizada de instalaciones de aire comprimido Unidad de mantenimiento de un sistema Regulación de fuerzas en cilindros Regulación de los torques en motores En todos los lugares donde se re quiera una presión constante para realizar

un trabajo seguro y confiable

Un regulador de presión funciona en un solo sentido, debe prestarse atención a una conexión correcta.

Válvula de secuencia

Una válvula de secuencia tiene por función, luego de alcanzar cierta presión entregar una señal de salida. Esta señal de salida puede estar dentro del campo de las presiones bajas o normales, y también puede ser eléctrica. La presión de respuesta de una válvula de secuencia, generalmente es regulable.

Válvula de seguridad

Existe una verdadera confusión con la válvula de seguridad, de descarga, de alivio, limitadora, sobrepresión, etc. Esto es debido a que cada fabricante las nombra de

una manera y, aunque en realidad las válvulas tienen diferente nombre, éstas son las mismas.

La válvula de seguridad es el elemento indispensable en las instalaciones hidráulicas y es el aparato que más cerca debe ponerse de la bomba, su misión es limitar la presión máxima del circuito para proteger a los elementos de la instalación.

Esta válvula, también conocida como VLP, actúa cuando se alcanza el valor de la presión regulada en el resorte.

  Sistemas de potencia fluida : Válvulas

Es completamente imposible diseñar un sistema fluido de potencia práctico sin algún medio para controlar el volumen y la presión del líquido y de dirigir el flujo de líquido a las unidades del funcionamiento. Esto es logrado por la incorporación de diversos tipos de válvulas. Se define a una válvula como cualquier dispositivo por medio del cual el flujo de líquido se puede iniciar, cortar, o regular por una parte móvil que abra u obstruya el paso. Aplicadas en los sistemas de potencia fluidos, las válvulas se utilizan para controlar el flujo, la presión, y la dirección del flujo fluido.

Las válvulas deben ser precisas en el control del fluido y presión, así como sobre la secuencia de operación.

Las fugas entre el elemento de válvula y el asiento de válvula se reducen a una cantidad insignificante mediante las superficies trabajadas a máquina, con extrema precisión, dando por resultado separaciones cuidadosamente controladas. Ésta es una de las razones más importantes para reducir la contaminación al mínimo en los sistemas de potencia fluidos. La contaminación hace que las válvulas se peguen, obstruye de los orificios pequeños, y causa abrasiones en las superficies de asiento de la válvula, que da lugar a pérdidas o fugas entre el elemento de la válvula y asiento de la misma cuando la válvula está en la posición de cerrada. Cualquiera de éstos problemas de por resultado una operación ineficaz o la parada completa del equipo.

Las válvulas se pueden controlar manual, eléctrica, neumática, mecánica, hidráulicamente, o por combinaciones de dos o más de estos métodos. Los factores que determinan el método de control incluyen el propósito de la válvula, el diseño y el propósito del sistema, la localización de la válvula dentro del sistema, y la disponibilidad de la fuente de energía.

CLASIFICACIONES

Las válvulas se clasifican según su uso: control de flujo, control de presión, y control direccional. Algunas válvulas tienen funciones múltiples que caen en más de una clasificación.

VÁLVULAS DE CONTROL DE FLUJO

Las válvulas de control de flujo se utilizan para regular el flujo de líquidos en sistemas de potencia fluida. El control del flujo en sistemas potencia fluida es importante porque el índice de movimiento de máquinas de accionamiento hidráulico depende del régimen del líquido presurizado. Estas válvulas pueden estar operadas manual, hidráulica, eléctrica, o neumáticamente.

VÁLVULAS DE BOLA

Las válvulas de bola, como su nombre lo indica, son las válvulas de parada que utilizan una bola para cortar o para iniciar un flujo de líquido. La bola, según se ve en la figura adjunta, realiza la misma función que el disco en otras válvulas. A medida que la manija de la válvula se da vuelta para abrir la válvula, la bola gira a un punto donde el agujero a través de la bola está alineado en parte o del todo con la entrada y la salida del cuerpo de válvula, permitiendo que el líquido atraviese la válvula. Cuando se gira la bola de manera que el agujero sea perpendicular a las aberturas de flujo del cuerpo de válvula, el flujo de fluido sea detendrá.

Fig.: Válvula de bola típica.

La mayoría de las válvulas de bola son el tipo de acción rápida. Requieren solamente una vuelta de 90 grados para abrir o cerrar totalmente la válvula. Sin embargo, muchas son accionadas por engranajes planetarios. Este tipo de engranaje permite el uso de una fuerza relativamente pequeña en el volante y de parte del operario para hacer funcionar una válvula bastante grande. El engranaje, sin embargo, aumenta el tiempo operativo de accionamiento de la válvula. Algunas válvulas de bola también contienen una retención basculante situada dentro de la bola para dar a la válvula una característica de la válvula retención. La figura adjunta muestra que bola-pare, que hacer pivotar-compruebe la válvula con una operación del engranaje planetario.

Fig.: Típica válvula de bola con retención basculante.

Además de las válvulas de bola vistas en las figuras adjuntas al tema, existen además las válvulas de bola de tres vías que se utilizan para suministrar el líquido de una sola fuente a un componente u otro en un sistema del dos-componentes.

VÁLVULAS DE COMPUERTA

Se utilizan las válvulas de compuerta cuando sea necesario un caudal de fluido rectilíneo, así como una restricción mínima al paso del mismo. Las válvulas de

compuerta deben su nombre a que la pieza que bloquea o permite el paso del fluido que las atraviesa actúa en forma similar a una compuerta. La compuerta generalmente tiene forma de cuña. Cuando la válvula está abierta de par en par, la compuerta se ubica completamente en el sombrerete de la válvula. Esto deja una abertura en la válvula para el paso del fluido del mismo tamaño que la cañería en la cual la misma está instalada (ver figura adjunta). Por lo tanto, hay poca caída de presión o restricciones al paso del fluido a través de la válvula.

Las válvulas de compuerta no son convenientes para propósitos de estrangulamiento. El control del flujo es difícil debido al diseño de la válvula, y el flujo de líquido que golpea contra una compuerta parcialmente abierta puede causar un daño importante a la válvula. A menos que sea autorizado específicamente, las válvulas de compuerta no se deban utilizar para estrangulamiento.

Se clasifican las válvulas de compuerta como válvulas de vástago ascendente o válvulas de vástago no ascendente. La válvula de vástago no ascendente se muestra en la figura adjunta. El vástago va roscado en la compuerta. A medida que el volante de comando del vástago se gira, la compuerta se desplaza hacia arriba o hacia abajo en el vástago sobre los filetes de rosca mientras que el vástago sigue estando inmóvil verticalmente. Este tipo de válvula dispone casi siempre de una aguja indicadora roscada sobre el extremo superior del vástago para indicar la posición de la compuerta.

Las válvulas con vástagos ascendentes se utilizan cuando es importante saber mediante inspección inmediata si la válvula está abierta o cerrada y cuándo los filetes de rosca (vástago y compuerta) expuestos al líquido podrían dañarse por los contaminantes fluidos. En esta válvula, el vástago se levanta de la válvula cuando la válvula es abierta.

VÁLVULAS GLOBO

Las válvulas globo son probablemente las válvulas más comunes en existencia. La válvula globo debe su nombre a la forma globular del cuerpo de la válvula. Otros tipos de válvulas pueden también tener cuerpos de forma globular. Pero es la estructura interna de la válvula que identifica el tipo de válvula

Las aberturas de entrada y de salida de las válvulas globo están dispuestas de manera de satisfacer los requerimientos del flujo. La figura adjunta muestra válvula rectas, en ángulo y válvulas de flujo cruzado.

Las piezas móviles de una válvula globo consisten en el disco, el vástago de válvula, y la manivela de cierre. El vástago conecta la manivela al disco.

El vástago va roscado y se encastra en los filetes de rosca en el sombrerete de la válvula.

La pieza de la válvula globo que controla el flujo es el disco, que está sujeto al vástago de válvula. (Los discos están disponibles en varios diseños.) La válvula es cerrada dando vuelta al vástago de válvula hacia adentro hasta que el disco se apoye en el asiento de válvula. Esto evita que el líquido atraviese la válvula (ver figura adjunta A). El borde del disco y su asiento están delicadamente trabajados a máquina de manera que cuando la válvula es cerrada encastran en forma muy

precisa. Cuando la válvula está abierta (ver figura adjunta B), el líquido atraviesa el espacio entre el borde del disco y el asiento. Dado que el fluido se desplaza igualmente en todos los lados del centro de apoyo cuando la válvula está abierta, no existe ninguna presión sin balancear sobre el disco que cause un desgaste desigual. El régimen al cual el líquido atraviesa la válvula es regulado por la posición del disco en relación con el asiento. Esta válvula es comúnmente usada como completamente abierta o completamente cerrada, pero se puede utilizar como válvula reguladora. Sin embargo, puesto que la superficie del asiento es un área relativamente extensa, no es conveniente su uso con esta función, ya que requiere ajustes finos para controlar el régimen.

Fig. : Operación de una válvula globo.

La válvula de globo nunca debe atascarse en la posición de abierta. Después de que una válvula se abra completamente, el volante se debe dar vuelta hacia la posición de cerrada aproximadamente una mitad vuelta. A menos que se haga esto, la válvula es probable que se trabe en la posición abierta, haciendo difícil, si no imposible, volver a cerrarla. Muchas válvulas se dañan de este modo. Otra razón de no dejar las válvulas de globo en la posición completamente abierta es que a veces es difícil determinar si la válvula está abierta o cerrada. Si la válvula se atasca en la posición abierta, el vástago puede ser dañado o roto por alguien que piensa que la válvula está cerrada, e intenta abrirla.

Es importante que las válvulas globo sean instaladas con la presión contra la cara del disco para mantener la presión de sistema lejos de la empaquetadura del vástago cuando se cierra la válvula.

VÁLVULAS DE AGUJA

Fig. : Vista transversal de una válvula aguja.

Las válvulas de aguja son similares en diseño y la operación a la válvula globo. En vez de un disco, una válvula de aguja tiene un punto afilado largo en el extremo del vástago de válvula. Una vista seccionada transversalmente de una válvula de aguja se ilustra en la figura adjunta.

La forma cónica larga del elemento de la válvula permite una superficie mucho más pequeña de asiento que el de la válvula globo; por lo tanto, la válvula de aguja es más conveniente como válvula reguladora. Las válvulas de aguja se utilizan para controlar el flujo en manómetros delicados, los que se pueden dañar por repentinas variaciones del líquido bajo presión. Las válvulas de aguja son además usadas para controlar el extremo de un ciclo del trabajo, donde es deseable que el movimiento sea llevado lentamente a un alto, y en otros puntos donde sean necesarios ajustes exactos de flujo y donde se desee un pequeño régimen.

Aunque muchas de las válvulas de aguja usadas en los sistemas fluidos de potencia sean el tipo manual (ver figura adjunta), las modificaciones de este tipo de válvula son de uso frecuente como restrictores variables. Esta válvula se construye sin una manivela y se ajusta para proporcionar un régimen específico. Este régimen proporcionará un tiempo deseado de operación para un subsistema particular. Puesto que este tipo de válvula se puede ajustar para cumplir los requisitos de un sistema particular, puede ser utilizado en una variedad de sistemas. La figura adjunta ilustra una válvula de aguja que fue modificada como restrictor variable.

 

 

REGULADORES DE PRESIÓN

Los reguladores de presión, designados a menudo como válvulas de descarga, se utilizan en los sistemas de potencia fluidos para regular la presión. En sistemas neumáticos, la válvula, designada comúnmente como regulador de presión, reduce simplemente la presión. En sistemas hidráulicos el regulador de presión se utiliza para descargar la bomba y para mantener y para regular la presión de sistema en valores deseados. No todos los sistemas hidráulicos requieren reguladores de presión. Muchos sistemas se equipan con bombas volumétricas, que contienen un dispositivo regulador de presión.

Los reguladores de presión son hechos en una variedad de tipos y por varios fabricantes; sin embargo, los principios de funcionamiento básicos de todos los reguladores son similares al que está ilustrado en la figura adjunta.

Un regulador está abierto cuando está dirigiendo el líquido bajo presión hacia el sistema (A en la figura). En la posición cerrada (B en la figura), el líquido en la parte del sistema más allá del regulador queda atrapado en la presión deseada, y el líquido de la bomba se puentea en la línea de retorno y vuelve al depósito. Para prevenir la abertura y cierre constantes, el regulador se diseña para abrirse en una presión algo más baja que la presión de cierre. Esta diferencia se conoce como diferencial o rango de operación. Por ejemplo, asuma que un regulador de presión está ajustado para abrirse cuando la caída de presión de sistema esté debajo de los 600 psi, y se cierre cuando la presión supera los 800 psi. El diferencial o el rango de operación es de 200 psi

Refiriéndose a la figura adjunta, asuma que el pistón tiene un área de 1 pulgada cuadrada, la válvula piloto tiene una superficie transversal de un cuarto pulgada cuadrada, y el resorte del pistón proporciona de 600 libras de fuerza que empujan el pistón hacia abajo. Cuando la presión en el sistema es menos de 600 psi, el líquido de la bomba entrará en el puerto de entrada, fluirá a la tapa del regulador, y luego a la válvula piloto. Cuando la presión del líquido en la entrada aumenta al punto donde la fuerza creada contra el frente de la válvula de retención exceda la fuerza creada contra la parte posterior dicha válvula por la presión de sistema y el resorte de la válvula retención, la válvula de retención se abre. Esto permite que el líquido fluya en el sistema y a la parte inferior del regulador contra el pistón. Cuando la fuerza creada por la presión de sistema exceda la fuerza ejercida por el resorte, el pistón se levanta, haciendo la que válvula piloto salga de su asiento. Puesto que el líquido tomará la trayectoria de menos resistencia, éste retornará a través del regulador y de vuelta al depósito a través de la línea de retorno.

Cuando el líquido de la bomba obtiene repentinamente una trayectoria libre para retornar, la presión sobre el lado de entrada de la válvula de retención cae y de la válvula de retención se cierra. El líquido en el sistema entonces queda atrapado bajo presión. Este líquido seguirá presurizado hasta que una unidad de potencia sea accionada, o hasta la presión se pierda lentamente debido a pérdida interna normal dentro del sistema.

Cuando la presión de sistema disminuye a un punto levemente inferior a los 600 psi, el resorte fuerza el pistón abajo y cierra la válvula piloto. Cuando la válvula piloto es cerrada, el líquido no puede fluir directamente a la línea de vuelta. Esto hace que la presión aumente en la línea entre la bomba y el regulador. Esta presión abre la válvula de retención, haciendo que el líquido ingrese al sistema.

 

En resumen, cuando la presión de sistema disminuye una cantidad determinada, el regulador de presión se abrirá, enviando líquido al sistema. Cuando la presión del sistema se incrementa suficientemente, el regulador se cerrará, permitiendo que el líquido de la bomba atraviese el regulador y vuelva al depósito. El regulador de presión quita la carga de la bomba y regula la presión de sistema.

VÁLVULAS DE SECUENCIA

Las válvulas de secuencia controlan la secuencia de operación entre dos ramas en un circuito; es decir, permiten a una unidad fijar automáticamente otra unidad en movimiento. Un ejemplo del uso de una válvula de secuencia está en un sistema de impulsión del tren de aterrizaje de aviones.

En un sistema de impulsión del tren de aterrizaje, las puertas de tren de aterrizaje deben abrirse antes de que el tren de aterrizaje comience a extenderse. Inversamente, el tren de aterrizaje debe ser contraído totalmente antes de que las puertas se cierren. Una válvula de secuencia instalada en cada línea de impulsión del tren de aterrizaje realiza esta

función.

 

Una válvula de secuencia es algo similar a una válvula de descarga salvo que, después de que se haya alcanzado la presión del sistema, la válvula de secuencia desvía el líquido a un segundo actuador o motor para hacer el trabajo en otra parte del sistema. La figura adjunta muestra una instalación de dos válvulas de secuencia que controlan la secuencia de operación de tres cilindros de impulsión. El líquido está libre de fluir dentro del cilindro A. La primera válvula de secuencia (1) bloquea el paso del líquido hasta que el pistón del cilindro A se desplaza al extremo de su carrera. En este tiempo, la válvula de secuencia 1 se abre, permitiendo que el líquido entre en el cilindro B. Esta acción continúa hasta los tres pistones terminan sus movimientos.

Hay varios tipos de válvulas de secuencia. Algunas son controladas por la presión y algunas se controlan mecánicamente.

Válvula de secuencia controlada por presión

Fig.: Operación de una válvula de secuencia controlada por presión.

La operación de una típica válvula de secuencia controlada por presión se ilustra en la figura adjunta. La presión de abertura es obtenida ajustando la tensión del resorte que sostiene normalmente el pistón en la posición cerrada. (Note que la parte superior del pistón tiene un diámetro más grande que la parte inferior). El líquido entra a la válvula a través del puerto de entrada, fluye alrededor de la parte inferior del pistón y sale por el puerto de salida, adonde fluye (inicialmente) a la unidad primaria para ser accionada (figura A). Esta presión del líquido también actúa contra la superficie inferior del pistón.

Cuando la unidad de impulsión primaria termina su

operación, la presión en la línea hacia la unidad de impulsión se incrementa suficientemente para superar la fuerza del resorte, y el pistón se eleva. La válvula está entonces en la posición abierta (figura B). El líquido que entra en la válvula toma la trayectoria de menos resistencia y fluye a la unidad secundaria.

 

Un paso de drenaje viene provisto para permitir que cualquier líquido que se escape del pistón fluya desde la tapa de la válvula. En sistemas hidráulicos, esta línea de drenaje está generalmente conectada con la línea de retorno principal.

Válvula de secuencia operada mecánicamente

Fig.: Válvula de secuencia operada mecánicamente.

La válvula de secuencia operada mecánicamente (ver figura adjunta) es accionada por un émbolo que se extiende a través del cuerpo de la válvula. La válvula va montada de modo que el émbolo sea accionado por la unidad primaria.

Una válvula de retención, tanto una de bola como una de clapeta, está instalada entre los puertos fluidos en el cuerpo. Esta puede ser quitada de su asiento tanto por el émbolo como por la presión del líquido.

El puerto A (ver figura adjunta) y el actuador de la unidad primaria están conectados por una línea común. El puerto B está conectado por una línea con el actuador de la unidad secundaria. Cuando el líquido bajo presión fluye a la unidad primaria, también lo hace dentro de la válvula de secuencia a través del puerto A a la válvula de retención, asentada en la válvula de secuencia. Para poder funcionar la unidad secundaria, el líquido debe atravesar la válvula de secuencia. La válvula está ubicada de modo que la unidad primaria presione el émbolo mientras que completa su

operación. El émbolo saca de posición a la válvula de retención y permite que el líquido atraviese la válvula, hacia el puerto B, y a la unidad secundaria.

Este tipo de válvula de secuencia permite el flujo en dirección opuesta. El líquido ingresa al puerto B y se desplaza hacia la válvula de retención. Aunque éste sea flujo de retorno de la unidad de impulsión, el líquido supera la tensión del resorte, quita del asiento a la válvula de retención, y fluye hacia fuera a través del puerto A.

VÁLVULAS DE CONTROL DE FLUJO COMPENSADAS

Los elementos de control de flujo descriptos consisten en simple orificios que miden el flujo del aceite. Ellos mantienen un flujo razonablemente constante mientras la presión que actúa se mantiene constante.

Sí la presión varía , el flujo que pasa a través de estas válvulas variaría por estas consecuencias .

Existe una disposición de válvula de control de flujo que compensa automáticamente las diferencias de presiones a los efectos de mantener el flujo constante. Ellas son las válvulas de control de flujo compensadas por presiones, o compensadas hidrostáticamente y se fabrican en modelos ajustables y no ajustables. El principio de trabajo de estas válvulas consiste en mantener constante la caída de presión a través del orificio de control, de esta forma el flujo a través de este orificio será constante. Estas válvulas para este propósito crean una caída de presión de aproximadamente 75 lb. en la línea y esas 75 libras son utilizadas para mover el mecanismo de compensación. El principio del trabajo está ilustrado en los siguientes ejemplos de la válvula fija de control y la ajustable.

Muchos modelos permiten el flujo reverso del fluido , sin embargo, este flujo no es compensado. En aquellos casos en que se desea obtener flujos libres es preferible el empleo de una válvula de retención en paralelo que en muchos casas ya viene incluida dentro del cuerpo de la válvula, En la fig. 5.36 b observamos una válvula fija de control de flujo compensada. El orificio de control tiene un tamaño tal que cuando la válvula transporta el flujo determinado la caída de presión a través de este orificio es de aproximadamente 75 libras, que balancean la tensión del resorte sobre la clapeta .Tan pronto como el flujo que pasa a través del orificio de control  tiende a implementarse su caída de presión se incrementa proporcionalmente provocando el desplazamiento de la clapeta lentamente hacia la derecha ,  este cierre estrangula el. orificio provocando una restricción en el flujo, que acarrea su descenso al valor determinado.  Si desciende el valor determinado del flujo a través del orificio de control la calda de presión desciende, por lo tanto el resorte de oposición obra la estrangulación procurando incrementar el flujo . 

En las figuras 5.37 observamos el corte constructivo y esquemático de una válvula ajustable de control de flujo compensada, a la presión .

Fig. 5.37

Su principio de trabajo podemos referirla al símbolo completo que acompaña a la figura . 

La válvula consta de un orificio variable controlado mediante el vástago 1. Este orificio es precedido por una válvula reductora de presión , ( vástago 2) del corte esquemático , esta válvula reductora no está referida a la atmósfera sino a la presión de salida, La válvula reductora reduce la presión de ingreso no importa cuan alta será ella ,  a un valor solo de 75 lb./pulg.², con respecto a la presión de salida. A los efectos de mantener constante 75 lb./pulg. 2 a través del orificio de control, consecuentemente el flujo a través de este orificio se mantendrá constante.

En la Fig. 5.38 observamos los símbolos correspondientes a las válvulas de control de flujo.

CONTROL DE VELOCIDAD DE CIRCUITOS HIDRÁULICOS

En los circuitos que representaremos a continuación pueden ser empleadas válvulas compensadas o no compensadas, Muchos circuitos requieren válvulas de retención para permitir el flujo reverso en forma libre. Ya sabemos que algunas válvulas de control de flujo llevan estas válvulas de retención  incorporadas en su cuerpo para cumplir este propósito.

En la Fig. 5.39 vemos que válvulas de control de flujo pueden ser instaladas en las posiciones l , 2 o 3 . Esto permite que sola una parte del aceite enviado por la bomba llegue al cilindro,  el remanente deber ser descargado al tanque a través de la válvula de alivio correspondiente al valor de la presión fijada en ella.

La energía contenida en este descarga es inmediatamente convertida en calor y transportada al depósito de aceite.

Posición 1.  Una válvula de control de flujo instalada en esta posición no necesita una válvula de retención en paralela para el flujo libre ya que en ese punto de la línea el flujo es siempre unidireccional, Sin embargo la velocidad de desplazamiento del cilindro ser& diferente en cada una de las carreras, por las diferencias de volúmenes que nacen de la presencia del vástago en una de las cámaras del cilindro.

Posiciones 2 y 3: Dos válvulas de control y flujo instaladas en estas posiciones permiten controlar en forma individual  cada una de las direcciones de movimiento .

Control al ingreso : Si ambas válvulas 2 y 3 son instaladas de tal forma que controlen el valor del flujo de ingreso al cilindro , estaremos frente a un sistema denominado control al ingreso o control a la entrada. 

Control a la salida: El sistema de control a la salida se obtiene

mediante la instalación de las válvulas de flujo de tal forma que operen sobre el flujo que sale del cilindro hacia el tanque. Este sistema es usualmente preferente a causa de que el pistón es sostenido entre dos columnas de aceite presurizado y su movimiento es más estable.. La sobrepresión que este control crea provoca la operación prematura de la válvula de secuencia o presóstato Las válvulas de control de flujo instaladas en las posiciones 2 y 3 deben ser obleadas mediante válvulas de retención para el flujo libre en la dirección opuesta. Si no se las instalara , el flujo de salida a través de una de las válvulas de control de flujo se invertiría con la operación de la otra.

 

Control por derivación : Mediante el control de velocidad por derivación la velocidad de desplazamiento del cilindro es reducida mediante la descarga de una porción del caudal de aceite. Por ejemplo, si la bomba desplaza 12 galones por minuto, y si es necesario solo 4 galones para obtener la velocidad deseada del cilindro, el exceso de 8 galones debe ser enviado a tanque a través de un válvula de control de flujo.

En la Fig. 5.40 observamos la forma de operación de un sistema de derivación , en la parte A con la válvula de control de flujo totalmente abierta, de tal forma de proveer una perdida de carga 0 al pasaje del flujo, el cilindro no se mueve hacia adelante en la parte B la válvula de control de flujo se encuentra total mente cerrada.

    

El aceite en la bomba es forzado en todo su flujo hacia el cilindro.

Un manómetro instalado un la línea hacia el cilindro, nos indica la presión necesaria para poder mover la carga . Cuando el cilindro llega al extremo de su carrera el manómetro indicará el valor de presión regulado en la válvula de alivio qua opera sobre la bomba.

En la Fig.5.41. vemos la ubicación alterna de válvulas de control de flujo operando en derivación.

Una válvula de control de flujo instalada en la posición 1 regulará la velocidad de desplazamiento del cilindro en ambas direcciones de su movimiento pero a causa del volumen diferente por la presencia del vástago las velocidades de avance y de retroceso serán diferentes para el mismo valor de caudal.

     

SINCRONIZACIÓN DE MOVIMIENTO DE CILINDROS HIDRÁULICOS

En la Fig. 5.42. las válvulas fijas de control de flujo 1 , 2 , 3 y 4 son del tipo a presión compensadas no ajustables que hemos descrito en las Fig.5.36 . 

          

Asumiendo de que los cilindros son del mismo diámetro, las válvulas de control de flujo 1 y 3 están calibradas para la misma cantidad de flujo. ellas permitirán una igual salida de flujo de ambos cilindros cuando estos se extiendan.

Las válvulas 2 y 4 controlarán un igual flujo procedente de los cilindros cuando estos se retraigan . 

Estas válvulas permiten un flujo reverso pero no controlado.

Es muy importante aclarar que el calor que entrega la bomba para este circuito debe ser superior al valor combinado de caudal que permite el paso de las válvulas 1 y 3 , o de un caudal que permitan las válvulas 2 y 4 . Es recomendable que el caudal de la bomba seleccionada sea un 5% superior al recorrido por la suma de las válvulas de control de flujo, el exceso de aceite será descargado por la bomba a través de la válvula alivio correspondiente. La sincronización depende de que la carga total sea dividida sobre los dos cilindros de las características de la manufactura de las válvulas de control, y del volumen del caudal de aceite.

Este circuito limita el comando al empleo de válvulas de dos posiciones como la válvula 5, desplazándose los cilindros entre sus extremos normales de carrera y no deteniéndose en puntos intermedios.

Si los cilindros se detuvieran en puntos intermedios quedando la bomba aliviando en una posición intermedia de válvula de comando, un efecto de venteo ocurriría entre ambas caras traseras de los cilindros como se ilustra en la figura 5.44.

        

En la figura nº  5.43 observamos un circuito que emplea las válvulas control de flujo compensadas de valor fijo vistas en el circuito interior .

Las válvulas de retención 5 y 6 comandadas previenen el efecto de bombeo de las caras traseras del cilindro cuando estos son detenidos por acción de la válvula de comando 7. Los cilindros que se emplean aquí tienen vástagos de gran diámetro por la tanto los volúmenes descargados en su retroceso por la cara ciega de estos cilindros serán muchos mayores que el caudal que entrega la bomba en tiempo unitario. Las pérdidas de control de flujo 1 y 3 controlan el caudal de aceite que ingresa a los cilindros para su carrera de avance. Ellos tiene en paralelo válvulas de retención que permiten el retorno libre de el flujo cuando los cilindros descienden ya que este como hemos dicha es mucho más elevado que el orificio de control de los restrictores.

Las válvulas de restricción 2 y 4 controlan la velocidad de retroceso de los cilindros a un valor superior al de registro de las válvulas 1 y 3.

Fig. 5.44.  : En ella observamos las condiciones de bombeo entre las cámaras ciegas de dos cilindros, cuando las cargas que ellos mueven no están uniformemente repartidas.

Cuando la válvula direccional de cuatro vías 3 , es centrada el desbalanceo de las fuerzas que actúan sobre los cilindros producen un bombeo del cilindro de la derecha hacia el de la izquierda. El remedio para esta situación es la instalación de un par de válvulas de retención pilotadas tal como lo hemos visto en la Fig. 5.43.

Estas válvulas pilotean al aceite de los cilindros pero son abiertas para un rápido retorno cuando la válvula de cuatro vías es cambiada.

La sincronización de movimientos de dos cilindros puede ser obtenida mediante la aplicación de dos circuitos de características idénticas como los que apreciamos en la Fig.. 5.45.

Las bombas PF-1 y PF-2 del mismo caudal y accionadas por un mismo motor eléctrico de doble eje alimentan a través de las válvulas de control direccional 1 y 2 a los correspondientes cilindros. Estas válvulas deben estar vinculadas mecánicamente a los efectos de obtener una simultaneidad de movimientos salvo cuando ellas estén accionadas eléctricamente.

De la misma forma en que hemos empleados dos bombas actuadas eléctricamente para la sincronización del movimiento de dos cilindros podemos sincronizar dos cilindros empleando una bomba actuada manualmente, siempre que ella pasea dos pistones del mismo diámetro y carrera.

La sincronización en este caso se efectúa en una sola dirección del movimiento de los cilindros sin tener que adicionar una válvula de comando de cuatro vías. Las válvulas de retención de la figura generalmente se encuentran comprendidas en el cuerpo de la bomba manual tal como vemos en la Fig. 5.46 .

Empleando válvulas divisoras de caudal como las 1 y 2 de la Fig. 5.47., se divide el caudal en dos volúmenes exactamente iguales para cada uno de los extremos del cilindro . 

 

Estas válvulas están fabricadas para dividir el caudal en dos mitades iguales o en distintas proporciones como por ejemplo: 25% y 75% u otras relaciones.

OPERACIÓN DESDE DIVERSAS POSICIONES

El método más comúnmente utilizado cuando es necesario controlar el desplazamiento de un cilindro desde dos o más posiciones es el empleo de válvulas Shuttle tal como las numeradas 3. y 4 en el circuito de la Fig. 5.48 .

En este circuito las válvulas 1 y 2 están ubicadas en forma remota con respecto a la posición de la válvula principal nro. 5. Y son empleadas únicamente para pilotar únicamente la válvula principal por lo tanto su tamaño puede ser reducido por ejemplo l/4". Estas válvula deben poseer centro flotantes en su posición central pudiendo ser operadas en forma manual o eléctrica. Las válvulas Shuttle interpuestas entre los pilotos de la válvula principal aceptan las señales procedentes de las válvulas remotas bloqueando la presión piloto procedente de una con respecto a la otra evitando de esta forma que estas señales sean dirigidas al tanque.

Un número elevado de posiciones de control pueden ser aplicadas tal como  lo observamos en la Fig. 5.49 .

En ella las posiciones de operación remota son 1, 2 y 3 apareciendo en el circuito las válvulas Shuttle 5 , 6, 7 y 8 que permiten la llegada de las señales piloto procedentes de las válvulas de actuación remota e impiden a su vez que estas señales sean descargadas al tanque por las válvulas de operación remota que en ese momento no se encuentran actuadas.

CONTROL DIRECCIONAL PARA ACCIONAR CILINDROS HIDRÁULICOS .  

 

En otras páginas tratamos sobre las bombas de desplazamiento positivo que son los órganos que generan la potencia hidráulica en el circuito la cual se transmite dentro del mismo a través del fluido que por el circula.  El fluido que así  circula por el sistema hidráulico, evidentemente debe ser dirigido convenientemente a los diversos cilindros, actuadores, o motores, de acuerdo a las exigencias y secuencias del trabajo que se deba realizar.

Para la finalidad antes mencionada se emplean las válvulas direccionales. de las cuales la más elemental es la válvula de dos, tres y cuatro vías .

VÁLVULA DE TRES VÍAS, VÁLVULA GIRATORIA O ROTATIVA

Esta es la primera de las válvulas que cambia la orientación de la corriente del fluido. En esta válvula como su nombre; lo indica, hay tres bocas de conexión o "puertas", la primera por donde entra la presión desde la bomba , la segunda que se comunica con el cilindro hidráulico y la tercera que es la conexión hacia el tanque o retorno .

Las válvulas distribuidoras hasta ahora vistas son de inversión axial. Existe otra configuración, que es la inversión rotativa. La figura siguiente, muestra una válvula de tres vías y dos posiciones. El rotor gira 180º para carga o descarga del aceite.

En la fig. 7.1 se muestra un corte de una válvula de tres vías en las dos  posiciones en que aquella trabaja como  A y B, en una de esas posiciones la corredera o husillo permite comunicar la puerta de entrada de presión con la salida del cilindro, mientras bloquea el retorno al tanque, en la segunda posición, o sea con la corredera situada en el otro extremo la misma bloquea ahora la entrada de presión y conecta el retorno a tanque con el cilindro.

 

Fig. 7.1

En una válvula de dos posiciones, una de ellas se logra mediante un resorte que mantiene la corredera en una posición extrema, la posición se logra por una señal de mando, que puede ser, manual, mecánica, eléctrica o por piloto hidráulico o neumático, que al producirse provocan el deslizamiento del husillo al lado opuesto, venciendo la tensión del resorte al comprimirlo.

Esta válvula se emplea para controlar el accionamiento de cilindros de simple efecto y émbolos buzo , cuyo retorno se efectúa por la acción de un resorte a cargas exteriores que no requiere retorno hidráulico.

Centros de las válvulas direccionales

Centro cerrado

En este tipo de centro, todas las vías permanecen cerradas, lo que impide, por ejemplo, mover el vástago del cilindro manualmente. Además ya que la línea de presión está cerrada el fluido no encuentra más alternativa que seguir al estanque o a la atmósfera en caso del aire a través de la válvula de seguridad. Esta situación origina lo siguiente: el aceite debe vencer la resistencia que opone el resorte de dicha válvula por lo cual se eleva la presión hasta el nivel máximo, punto en el cual la válvula se abre y permite la descarga de la bomba a alta presión.

 

Centro Tandem

Aquí, en la posición central de la válvula direccional, se bloquean las conexiones de trabajo, por lo tanto el sistema no puede ser movido manualmente.

Por otro lado, las conexiones de presión y tanque, están comunicadas, lo que permite que la bomba en esta posición descargue directamente al depósito y a baja presión.

La reacción del sistema, cuando se ubica en una posición de trabajo es por lo tanto mas lenta que en el caso anterior.

Centro Semiabierto

La posición central de la válvula direccional, mantiene comunicadas las líneas de trabajo con la línea de tanque, por lo que se encuentran a baja presión, el vástago puede ser movilizado manualmente.

La conexión de presión se encuentra bloqueado por lo que el aceite no tiene mas alternativa que seguir hacia el depósito a través de la válvula de seguridad, elevándose por lo tanto la presión y se dice entonces que la bomba descarga a alta presión.

Centro Abierto

En este caso todas las vías están comunicadas, lo que significa en otras palabras, comunicadas con la línea de tanque, es decir, a baja presión. Dada esta situación, la bomba descarga también a baja presión.

La reacción del sistema es más lenta que en todos los casos anteriores.

VÁLVULAS DE CUATRO VÍAS DOS POSICIONES .

Cuando se trata de gobernar cilindros hidráulicos de doble efecto, o motores hidráulicos que requieren control direccional de flujo en ambos sentidos de circulación , debe aplicarse una válvula de cuatro vías. En esta unidad existen cuatro bocas de conexión , la primera conectada a la entrada de presión , la segunda conectada al tanque y las dos restantes conectadas respectivamente a ambas caras del cilindro de doble efecto que deben gobernar. 

En la válvula de cuatro vías , dos posiciones ,  como su nombre lo indica, la corredera o husillo estará únicamente situada en cualquiera de ambas posiciones extremas, vale decir, a un lado o al otro .

Cuando la válvula no este actuada, la presión P se comunica con la cara 1 del cilindro mientras que la cara 2 se encuentran conectada a la descarga del tanque T. Al invertir la posición del husillo ,  tal como observamos en la fig. 7.2 , también se invierten las conexiones y ahora la presión P está conectada a la cara 2 del cilindro mientras que la 1 se conecta a la descarga T.

 

En la Fig. 7.2, se ve el corte esquemático de una válvula de cuatro vías, dos posiciones, mostrándose el conexionado interno del cuerpo.

Para el dibujo de los circuitos hidráulico, y permitir su fácil lectura , se ha adoptado un sistema de símbolos de acuerdo a lo indicado por el USA Standard Institute ( conocido como USASI). Los esquemas propuestas par este instituto difieren ligeramente de los propuestos por el Joint Industrial Comitee , conocido como JIG.

A continuación, aplicaremos en nuestras descripciones los símbolos USASI .

En la Fig. 7-2 . se ve claramente como se genera la simbología para representar a una válvula de cuatro vías, dos posiciones. En la parte A se muestra el corte esquemático de la válvula con su corredera en sus posiciones a toda derecha y toda izquierda respectivamente. En la parte B la figura muestra mediante la representación simbólica el conexionado que se opera en el interior del cuerpo de la válvula , al  cambiar la corredera de posición dibujando dos cuadros que al anexionarse como se muestra en la parte C del mismo dibujo , nos representan a la válvula con sus dos conexionados posibles. Para completar el símbolo, otros pequeños rectángulos se dibujan en cada costado con el fin de indicar el tipo de comando empleado para gobernar la válvula .

VÁLVULA DE CUATRO VÍAS TRES POSICIONES (Ver Fig. 7.3 ).

Este es el tipo más popular y más conocido de válvulas de cuatro vías .Aquí, la corredera , aparte de tener dos posiciones extremas,  también puede permanecer detenida en el centro mismo del cuerpo de la válvula, mediante un sistema de centrado por resorte  o retención de bolilla u otro medio de retención mecánica.

Símbolo gráfico completo de una válvula de cuatro vías  tres posiciones , accionada a doble solenoide y centrada por medio de resortes  .

En este tipo de válvula, cuando la misma NO ESTA ACTUADA, la corredera se encuentra situada en su posición central. Al actuarse sobre la válvula el mando correspondiente a un extremo y al otro, la corredera se deslizará en un sentido o en el otro .

Es necesario destacar que el sistema de conexionado de las bocas o " puertas" de la válvula de cuatro vías en. el cuerpo de la misma es SIEMPRE EL MISMO cualquiera sea el fabricante que la manufactura. las puertas vienen marcadas SIEMPRE P T A y B. El símbolo de esta válvula es esencialmente idéntico al símbolo de una válvula de cuatro vías, dos posiciones con la salvedad que se ha adicionado un tercer cuadrado entre los otros dos, y por tal razón al encontrarse en una posición central simboliza la posición central de la corredera, que es la TERCERA posición.

Además, el símbolo se completa adicionando en ambos extremos los rectángulos correspondientes para señalar que tipo de actuación se emplea para gobernar la válvula , de acuerdo lo visto anteriormente en el párrafo anterior.

Creemos conveniente llamar la atención al lector sobra algunos pequeños detalles con referencia a la mejor manera de atender a la simbología de la representación esquemática: de las válvulas de distribución de dos y tres posiciones, tanto en las válvulas de TRES VÍAS cuanto a las válvulas de CUATRO VÍAS .

1) Todas las conexiones de un bloque símbolo hacia el circuito externo deberá ser hecha de manera que solamente un bloque diagrama de la válvula, como se ve en la Fig. 7.4 A este conectada al circuito . Es incorrecto dibujar algunas de las líneas a un bloque y otras en el otro, como se indica en la Fig. C.

2) Se observará que un bloque de flechas, que indican los conexionados internos de la válvula son dos rectas paralelas, ese bloque indica el conexionado de la válvula NO ACTUADA o si es de solenoide , con el mismo DESENERGIZADO.  Por tal razón, el otro bloque muestra las flechas cruzadas y representa las conexiones internas de la válvula cuando la misma ha sido energizadas o está actuada. Esto es absolutamente validos tanto para las válvulas de tres y cuatro vías, que sean de DOS POSICIONES,

3) Cuando se trata de una válvula de cuatro vías , tres posiciones , o sea que tiene la corredera deslizante una posición central, que corresponde a la válvula NO ACTUADA, el bloque central muestra el conexionado interno del cuerpo de la válvula. ESTE CONEXIONADO ES FUNCIÓN DEL TIPO DE CORREDERA, y sobre este asunto volveremos más adelante. 

4) En una válvula de dos posiciones las líneas de conexión deberán ir al bloque más alejado del actuador, para mostrar la condición que no ESTA ACTUADA, El usó correcto está dibujado en la Fig. A, mientras que la incorrecto se muestra en la Fig. B Y C.

5) La válvula puede dibujarse con las conexiones de línea cuando la misma se encuentra actuada , PERO SOLAMENTE EN CASO QUE HAYA UNA CONDICIÓN ESPECIAL PARA ELLO.

6) Dijimos que el punto 4) que en una válvula de dos posiciones, ya fuera de tres o cuatro vías  el bloque correspondiente a la válvula NO actuada es el más alejado del actuador. Inversamente; el bloque correspondiente a la válvula ACTUADA es el más alejado del resorte antagonista. Esto significa que el bloque que en un momento determinado este actuando es el inmediatamente adyacente al símbolo que represente la acción motora . Así entonces cuando la válvula esta NO ACTUADA, o sea que está actuando el resorte antagonista, el bloque que representa tal condición es el adyacente al resorte . Por otra parte cuando la válvula esta en situación ACTUADA, el bloque que representa a tal condición es el adyacente al actuador .

7) Por tal motivo, en la válvula de cuatro vías, de tres posiciones, centrada por resortes, no importa el medio empleado para accionarla ,  el bloque central representa el conexionado de la misma cuando se encuentra DESENERGIZADA , y cada uno de los bloques laterales representará el conexionado cuando actúa el actuador inmediatamente adyacente al bloque considerado . 

VÁLVULAS DE CUATRO VÍAS, TRES POSICIONES - HUSILLOS: TIPOS CONSTRUCTIVOS

En la Fig. 7.5. vemos a través del dibujo correspondiente, que se genera el símbolo completo de una válvula de cuatro vías, tres posiciones, y en el corte esquemático de la válvula , la corredera o husillo dibujado por su geometría, cuando se encuentra en la posición central clausura completamente las cuatro puertas de la válvula o sea P , T , A y B , bloqueándolas completamente unas a otras.

Esta válvula se llama de CENTRO CERRADO (Closed Center), . El símbolo será el que  vemos en la  Fig. 7.5.

En cambio en la Fig. 7.6 otro tipo muy popular de válvula es la de CENTRO ABIERTO (Open Center) en la cual cuando la corredera se encuentra detenida en su posición central, intercomunica todas las puertas de la válvula, y permite así descargar no solamente ambas caras A y B  del pistón al tanque, SINO QUE PERMITE LA DESCARGA LIBRE DE LA BOMBA  al tanque, mientras la válvula se encuentre NO ACTUADA.

En cambio, si al encontrarse la corredera en posición central permite la intercomunicación de ambas caras del pistón A y B. con la descarga al tanque T, pero mantiene cerrada la presión de la bomba, la válvula se llama CENTRO FLOTANTE (Floating Center ). -

Esto es debido a que cuando la válvula se encuentra NO ACTUADA en su posición central , ambas caras del pistón, como ya se dijo están descargadas al tanque y, si la fricción de la empaquetadura no lo impide, el pistón se puede desplazar manualmente o accionando los órganos de movimiento de tal cilindro accionando la máquina donde el está montado .

En todas las válvulas de cuatro vías y tres posiciones vistas hasta ahora,  sean Centro Cerrado,  Centro Abierto y Centro Flotante, la corredera es maciza, sin

ninguna clase de hueco interior. En cambio, en la válvula que a continuación veremos la corredera es interiormente HUECA.

En esta válvula , cuando la misma NO se encuentra actuada, la corredera bloquea las conexiones al cilindro A y B, pero permite que la bomba descargue libremente al  tanque

  

 

Esta particularidad permite conectar una serie de estas válvulas formando un paquete, donde las válvulas van formando una serie de tandem. Las válvulas así agrupadas se conectan de tal manera que la descarga a tanque de la presión de la primera válvula va conectada a la entrada de presión de la segunda válvula, y así sucesivamente.

Esta agrupación " serie" de válvulas tandem permite accionar un grupo de cilindros hidráulicos cada uno de los cuales comanda una maniobra determinada en una cierta máquina una moto niveladora, por ejemplo de modo tal que el manejo se realice operando una sola válvula por por vez que acciona su cilindro correspondiente mientras que los otros permanecen sin actuar

En tales condiciones, todas las válvulas aguas arriba de la válvula que se está cerrando, están abiertas, y dejan pasar libremente la presión hasta la entrada correspondiente de la válvula operada aguas abajo de la misma, en cambio, no hay ent rada de de presión para ninguna válvula posterior, toda vez que la presión esta impedida de continuar a partir de la válvula cerrada hacia las posteriores. CUANDO TODAS LAS VÁLVULAS ESTA INACTIVAS  o sea, cuando todas las correderas están centradas,  la bom ba descarga libremente todo su caudal a través de todo el tandem de la válvula hacia el tanque .

Se representa una válvula tipo tandem ( tandem Type) en la fig. 7.7. 

Muchas otras configuraciones de corredera con algunas veces usadas en circuitería hidráulica. Válvulas con diferentes conexionados en una posición central son a continuación mostradas. Todas ellas son de cuatro vías tres posiciones, y solamente se han dibujado en la Fig. 7.8. las conexiones correspondiente al bloque central cuando la corredera está detenida en su posición "neutral ".

CONTROL DIRECCIONAL CON VÁLVULA DE CUATRO VÍAS DOS POSICIONES .  

FIG. 3.52 A y B.  

Las válvulas de cuatro vías son comúnmente usadas para el control direccional del movimiento de los cilindros de doble efecto en la parte A de la Fig. 3.52 ,  la válvula está actuada hacia la izquierda admitiéndose aire en la cara delantera del cilindro estando la cara opuesta conectada al escape en éste caso el cilindro se retrae.

En la parte B la válvula está cambiada a la izquierda sucediendo la contrario con lo cual el cilindro avanza. Utilizando válvulas como la que muestra la figura el cilindro no puede ser detenido en posiciones intermedias pudiendo hacerlo solo en su fin de carrera natural o en topes previstos en el dispositivo o máquina.

VÁLVULA DE CUATRO VÍAS CON POSICIÓN CENTRAL   Fig.   3.53

Las válvulas con posición central totalmente cerrada son comúnmente usadas en circuitos de aire y se emplean cuando es necesario detener el cilindro en algún punto intermedio de su carrera. Cada posición extrema de estas válvulas coincide con la configuración de las válvulas de dos posiciones, ya vistas en la Fig. 3.52. En A la posición central bloquea todas las entradas y salidas. En B vemos el centro denominado flotante donde las salidas 1 y 2 al cilindro están conectadas al escape, encontrándose la presión bloqueada.

Figura 3.53

CONTROL DE VELOCIDAD .

Válvula de aguja: La velocidad de desplazamiento de un cilindro neumático puede regularse mediante una válvula de aguja en la línea de alimentación .

      

Este control reviste importancia cuando por ejemplo queremos limitar la velocidad para evitar un golpe al final de la carrera . Cuando la carga a mover por el cilindro es la misma en ambas direcciones , la velocidad será igual , pero cuando la  carga exista en una sola dirección del movimiento , las velocidades serán distintas. 

CONTROL CON ESCAPE-Fig. 3.55

Muchas válvulas de comando tienen conexiones de escape para cada conexión de cilindro ,  en estos casas es posible controlar individualmente la velocidad de cada una de las dirección del movimiento del cilindro colocando una válvula de aguja en cada uno de los escapes. En la parte A del cilindro se retrae a una velocidad controlada por las válvula 1. En la parte B el cilindro avanza a velocidad controlada por la válvula de aguja 2.

Figura 3.55

CONTROL DE SALIDA: Fig. 3.56 

Este control se obtiene colocando en una de las conexiones del cilindro una válvula de aguja combinada con una retención de paralelo elemento que en adelante llamaremos "Control de Flujo". Conectado tal como muestra el circuito el control de flujo límite la velocidad del cilindro en su carrera de avances limitando el aire que es capa por su cara delantera.

       

Así mismo permite la retracción rápida del cilindro a través de la válvula de retención . Una válvula idéntica a la que vimos, puede ser instalada en el otro extremo del cilindro, pudiendo obtenerse un control independiente de la velocidad de retracción. En la mayoría de los caso esta disposición permite obtener velocidades estables . Pero a veces puede ponerse en discusión este sistema de control.

CONTROL DE ENTRADA . Fig. 3.57

Este sistema utiliza la misma válvula que el anterior con la diferencia que se instala de tal forma que exista flujo libre en la cara hacia la cual se desplaza el pistón En esta figura la válvula está instalada para controlar la entrada de aire al cabezal trasero del cilindro siendo su retracción libre.  Una válvula igual a la utilizada puede aplicarse a la otra entrada del cilindro , controlándose entonces la velocidad de

retracción en forma independiente . Si bien este sistema no ofrece una regularidad como el de la Fig. N° 3.56 permite controlar velocidades en circuitos donde son instaladas válvulas de secuencia o presóstatos que operan sobre presión circuitos específicos de esta aplicación veremos más adelante.

         

DOBLE CONTROL A LA SALIDA Fig. 3.58

     

Cuando las líneas de conexión entre la válvula de comando y el cilindro son relativamente largas  , la mejor forma de controlar la velocidad es conectar dos válvulas de control de flujo directamente sobre las conexiones del cilindro, e instalarlas de tal forma que controlen como en la Fig. 3.56. En circuitos con líneas largas el sistema de control doble por el escape como en la Fig. 3.55 no ofrece resultados positivos debido a la compresibilidad del volumen de aire contenido en las cañerías.

REGULADOR DE PRESIÓN ALIMENTANDO LA LÍNEA PRINCIPAL-Fig. 3.59

Cuando la válvula reguladora está instalada en la línea principal.,  mantiene una presión constante a cualquier nivel. En la mayoría de los sistemas el compresor opera entre niveles altos y bajos de presión , por ejemplo : entre 140 Psi y 110 Psi. Esta variación produce en los cilindros motores neumático variaciones de potencia.

Cuando un regulador es utilizado en la alimentación principal , es recomendable instalar un lubricador en las derivaciones del circuito, si es posible a la entrada de las válvulas de comando.. La niebla de aceite en suspensión en la corriente de aire llega a una distancia limitada es por ello que se recomienda su instalación a no más de tres metros de los que se desea lubricar (ver Fig. 3.59.) .

CIRCUITOS DE DOS PRESIONES CON VÁLVULAS DE 5 VÍAS . Fig. 3.60

    

La mayoría de las válvulas de cuatro vías con doble escape pueden ser utilizadas como 5 vías, en estos casos los escapes se utilizan como entradas y lo que era entrada se utiliza como escape. Este circuito puede ser usado como ventajas en dos casos :

1) Esta aplicación se efectúa cuando un cilindro debe efectuar una carrera a una presión y la carrera inversa a presión limitada por razones de trabajo.

2) Cuando un cilindro debe ejercer su trabajo con carga en un solo sentido, el movimiento inverso puede realizarse a baja presión representando esto una considerable economía  de aire comprimido .

En la figura n° 3.61 se muestra la forma de obtener dos presiones distintas a la línea para la operación de un cilindro. Las válvulas reguladores no permite el pasaje de aire en sentido inverso motivo por el cual se han dispuesto válvulas de retención en paralela permitiendo el flujo libre en sentido opuesto.

           

        

En la Fig. nº 3,62 muestra un circuito donde se han utilizado las válvulas reductoras de presión para obtener una presión de retroceso común a dos cilindros y obtener presiones de avance independientes . 

Figura nº. 3.63 . En adición a las válvulas de comando de 3 y 4 vías suele colocarse una válvula reguladora de presión incorporada de tal forma que al accionar el comando pueda regularse simultáneamente la presión suministrada al cilindro, estas válvulas son extremadamente útiles cuando hay que comandar un embrague o freno pudiendo aplicarse este con la presión deseada para cada caso .En el circuito de la figura se ha intercalado entre la válvula de comando y el cilindro , una válvula de escape rápido que permite retroceder con gran velocidad el cilindro actuado.

             

CIRCUITOS DE SUJECIÓN

En la figura nº 3.64 se muestra un circuito simple, de sujeción y trabajo donde el cilindro de sujeción (Clamp) es controlado por una válvula de3 vías, 2 posiciones accionada a pedal y con presión regulada cuando el aperador ha sujetado la pieza puede proceder a poner en movimiento el cilindro de trabajo mediante la válvula de cuatro vías manual .

    

SECUENCIA DE CONTROL DE FLUJO Fig. 3.65

Una válvula de cuatro vías puede controlar dos cilindros al destiempo , esto se logra mediante dos válvulas control de flujo 2 y 3. La válvula dos está colocada para reducir la velocidad de avance del cilindro de trabajo permitiendo que el de sujeción complete su carrera . En este circuito la presión de sujeción no llega a su valor máximo hasta que el cilindro de trabajo no ha completado su carrera, motivo por el cual su aplicación es limitada. La válvula de control de flujo 3 está colocada para disminuir la velocidad de retorno del cilindro de sujeción , permitiendo de esta forma que se aleje primero el de trabajo.

 

SECUENCIA DE POSICIÓN . Fig. 3,66  

Este tipo de configuración se utiliza cuando el cilindro de sujeción debe llegar a una posición determinada antes que actúe el cilindro de trabajo , en este ejemplo hemos utilizado válvulas de accionamiento mecánico para fijar esa posición, pero pueden utilizarse microcontactos o microválvulas. Cuando la válvula 1 está cambiada el aire comprimido queda conectado únicamente al cilindro de sujeción , cuando este avanza toma contacto con la llave de la válvula 2 que cambia su posición y hace avanzar el cilindro de trabajo. Accionando nuevamente la válvula 1 ambos cilindros retroceden.

SECUENCIA ELÉCTRICA PARA SUJECIÓN Y TRABAJO: Fig. 3.67

Las válvulas direccionales 1 y 2 son doble solenoide, 2 posiciones, es decir de un impulso. Su actuación en el circuito es la siguiente: Al actuar el pulsador 3 se energizará el solenoide A de la válvula 1 avanzando el cilindro de sujeción , Este en su carrera accionará el microcontacto 4 que energizará el solenoide C de la válvula 2 que hace avanzar el cilindro de trabajo, al llegar este al final de su carrera toca el microcontacto energizando los solenoides B y D retrayéndose ambos cilindros . Nótese que 4 está conectado en serie normal cerrado de 5. Esta previene la energización simultánea de C y D cuando el cilindro de trabajo actúa en 5 .

 

Introducción a los Esquemas Hidráulicos

Los diagramas precisos de circuitos hidráulicos son esenciales para los técnicos que deben repararlos.

El diagrama muestra cómo interactúan los componentes. Muestra al técnico cómo funciona, que debería hacer cada componente y a dónde debería ir el aceite, lo cual es útil para diagnosticar y reparar el sistema.

DIAGRAMAS DE CIRCUITOS

Existen dos tipos de diagramas de circuitos.

A: Los Diagramas de circuito en corte transversal muestran la construcción interna de los componentes además de las rutas que sigue el flujo de aceite. Mediante colores, sombras o diversos patrones en líneas y pasos, puede mostrarse muchas condiciones diferentes de presión y flujo (Fig. 1).

Fig. 1

B: Los Diagramas de circuito esquemáticos se usan preferentemente para la solución de fallas por su capacidad de mostrar las funciones actuales y potenciales

del sistema. Los diagramas esquemáticos están compuestos de símbolos geométricos que corresponden a los componentes y sus controles y conexiones (Fig. 2).

Fig. 2

 

1. Sistemas de símbolos esquemáticos

A: I.S.O = Organización Internacional de EstándaresB: A.N.S.I. = Instituto Americano Nacional de EstándaresC: A.S.A = Asociación Americana de EstándaresD: J.I.C. = Conferencia de Industrias Consolidadas

En estas páginas se muestra una combinación de estos símbolos. Hay diferencias entre los sistemas pero hay suficientes similitudes y el comprender los símbolos de estas páginas ayuda a interpretar otros símbolos también.

2. Depósitos hidráulicos.

A: I.S.O = Organización Internacional de EstándaresB: A.N.S.I. = Instituto Americano Nacional de EstándaresC: A.S.A = Asociación Americana de EstándaresD: J.I.C. = Conferencia de Industrias Consolidadas

Fig. 3

Los depósitos (Fig. 3) se representan con un cuadrado abierto que corresponde a un depósito ventilado a la atmósfera, o un cuadrado cerrado que corresponde a un depósito presurizado. En todo sistema los depósitos tienes por lo menos dos tuberías conectadas, en algunos son muchas más.

A menudo los componentes que están conectados a él están dispersos por todo el diagrama esquemático. En lugar de tener muchas líneas confusas por todo el diagrama esquemático, es común dibujar símbolos de depósito individuales cerca de los componentes, tal como ocurre con el símbolo de tierra de algunos diagramas de cableado. Por lo general el depósito es el único componente que se representa más de una vez.

3. Líneas o Tuberías

Fig. 4

Una línea, tubería, manguera o cualquier conducto hidráulico que transporte el líquido entre los componentes se representa mediante una línea.

Algunas líneas tienen flechas para demostrar la dirección del flujo de aceite; otras pueden representarse como una línea punteada para indicar ciertos tipos de flujo de aceite.

Fig. 5

Hay líneas que cruzan a otras (Fig. 5), pero no están conectadas. Existen muchas formas de mostrar líneas que no están conectadas. Las líneas que están conectadas se indican con un punto o a veces con dos líneas cruzadas. Si el diagrama esquemático muestra un símbolo específico para indicar líneas que no están conectadas, todas las demás estarán conectadas.

4. Bombas hidráulicas

Fig. 6

Existen muchos diseños básicos de bombas (Fig. 6) Una bomba de desplazamiento fijo simple se representa mediante un círculo con un triángulo apuntando hacia afuera. El triángulo apunta en la dirección en la cual fluirá el aceite. Si la bomba es reversible o está diseñada para bombear en ambas direcciones, se indicará mediante dos triángulos opuestos y se interpretará que el aceite puede fluir en ambas direcciones.

5. Motores hidráulicos

Fig. 7

Los símbolos de motores hidráulicos (Fig. 7) son círculos con triángulos, pero al contrario de las bombas hidráulicas, el triángulo apunta hacia adentro para indicar que el aceite fluye con dirección al motor. Se usa un triángulo para los motores no reversibles y dos triángulos para los reversibles. Cuando se coloca una flecha que cruza un motor corresponde a un motor de velocidad variable.

6. Válvulas de chequeo

Fig. 8

La válvula de chequeo (Fig. 8) se indica mediante una bola en un asiento en V. Cuando se aplica presión de aceite al lado izquierdo de la bola, ésta es empujada hacia el asiento en V que obstruye el paso del aceite. Cuando se aplica presión de aceite al lado derecho de la bola, ésta se aleja del asiento y permite el paso del aceite. Una válvula de chequeo de derivación es una válvula unidireccional con un resorte en el extremo de la bola del símbolo.

Esto indica que el aceite presurizado debe superar la presión del resorte antes de sacar la bola del asiento.

7. Válvulas de alivio

Fig. 9

La válvula de alivio (Fig. 9) se muestra como una válvula con una salida conectada a la línea de presión y la otra línea conectada al depósito. La flecha de dirección del flujo apunta en dirección opuesta a la línea de presión y hacia el depósito.

Cuando la presión del sistema supera el resorte de la válvula, la presión se dirige a través de la válvula hacia el depósito.

8. Válvulas hidráulicas

Fig. 10

La válvula de control (Fig. 10) tiene recuadros (cuadrados) que representan las posiciones del carrete de la válvula. Hay un recuadro separado para cada posición de la válvula y dentro de estos recuadros se incluyen flechas que indican las rutas del flujo cuando se cambia la válvula a esa posición. Todas las conexiones de los puertos están incluidas en el recuadro que muestra la posición neutra de la válvula. Se puede visualizar mentalmente la función de la válvula en cualquier posición. Una válvula que tiene líneas paralelas fuera de los recuadros de la válvula indica que esta válvula puede tener posicionamiento infinito. Por lo general esta válvula se opera en las posiciones que se muestran. Un ejemplo de este tipo de válvula sería la válvula de prioridad de flujo o la válvula reguladora de presión.

9. Actuadores

Figura 11

Los carretes de la válvula se pueden controlar de muchas maneras. La imagen de arriba (A) muestra el símbolo de una palanca de control. La imagen del centro (B) muestra el símbolo de un pedal de control (operado con el pie). El control inferior (C) es un solenoide eléctrico.

10. Cilindros hidráulicos

Figura 12

El símbolo de cilindro (Fig. 12) es un rectángulo simple que representa el cuerpo del cilindro. La varilla y el pistón se representan mediante una T que se inserta en el rectángulo. El símbolo se puede dibujar en cualquier posición.

11. Misceláneo

Figura 13

Los filtros, coladores e intercambiadores de calor (enfriadores) se representan como cuadrados que se giran en 45 grados y tienen conexiones de orificios en las esquinas. La línea punteada a 90 grados del flujo de aceite indica un filtro o un colador. Una línea continua a 90 grados del flujo de aceite con 2 triángulos apuntando hacia fuera indica un enfriador. El símbolo de un calentador es cómo el del enfriador, salvo que los triángulos apuntan hacia adentro.

12. Controles de flujo

Figura 14

El control de flujo básico (Fig. 14) es una representación de un restrictor. Si el restrictor es ajustable se dibuja una flecha oblicua a lo largo del símbolo.

13. Cajas de válvula

Figura 15

Cuando se ve el diagrama de una caja, (Fig. 15) que indica que hay varios símbolos que forman un conjunto de componentes como el cuerpo de una válvula o grupo de válvulas. El diagrama de la caja aparece como un recuadro interrumpido por líneas en todos sus lados.

14. Diagrama esquemático hidráulico completo

Figura 16

A continuación se muestra un diagrama esquemático hidráulico simple (Fig. 16) que utiliza los símbolos descritos y la forma en que se utilizan en un diagrama esquemático completo. Se ve que hay una bomba hidráulica que obtiene el fluido desde el depósito, hace pasar el fluido por el filtro y lo envía a la válvula. La válvula dirige el aceite al cilindro hidráulico.

Cilindros hidráulicos y neumáticos. Actuadores.  

En los sistemas hidráulicos y neumáticos la energía es transmitida a través de tuberías. Esta energía es función del caudal y presión del aire o aceite que circula en el sistema.

Una de las características destacables de los sistemas de potencia fluidos es que la fuerza, generada por la fuente fluida,

controlada y dirigida por válvulas convenientes, y transportada por las líneas, puede ser convertida fácilmente a casi cualquier clase de movimiento mecánico deseado en el mismo lugar que sea necesario.

Sea tanto movimiento lineal (línea recta) como rotatorio, éste puede ser obtenido usando un dispositivo de impulsión conveniente. Un actuador es un dispositivo que convierte la potencia fluida en fuerza y movimiento mecánicos.

Los cilindros, los motores, y las turbinas son los tipos más comunes de dispositivos de impulsión usados en sistemas de potencia fluida.

Veremos a continuación varios tipos de cilindros actuadores y sus usos, diversos tipos de motores fluidos, y las turbinas usadas en sistemas de potencia fluida.

Un cilindro actuador es un dispositivo que convierte la potencia fluida a lineal, o en línea recta, fuerza y movimiento. Puesto que el movimiento lineal es un movimiento hacia adelante y hacia atrás a lo largo de una línea recta, este tipo de actuadores se conoce a veces como motor recíproco, o lineal. La presión del fluido determina la fuerza de empuje de un cilindro, el caudal de ese fluido es quien establece la velocidad de desplazamiento del mismo. La combinación de fuerza y recorrido produce trabajo, y cuando este trabajo es realizado en un determinado tiempo produce potencia. Ocasionalmente a los cilindros se los llama "motores lineales".

El cilindro consiste en un émbolo o pistón operando dentro de un tubo cilíndrico. Los cilindros actuadores pueden ser instalados de manera que el cilindro esté anclado a una estructura inmóvil y el émbolo o pistón se fija al mecanismo que se accionará, o el pistón o émbolo se puede anclar a la estructura inmóvil y el cilindro fijado al mecanismo que se accionará. Los cilindros actuadores para los sistemas neumáticos y hidráulicos son similares en diseño y operación. Algunas de las variaciones de los cilindros tipo émbolo y tipo pistón de impulsión se describen en los párrafos siguientes.

El cilindro es el dispositivo mas comúnmente utilizado para conversión de la energía antes mencionada en energía mecánica. Un cilindro actuador en el cual la superficie transversal del pistón es menos de una mitad de la superficie transversal del elemento móvil se conoce como cilindro tipo pistón. Este tipo de cilindro se utiliza normalmente para aplicaciones que requieran funciones tanto de empuje como de tracción.

El cilindro tipo pistón es el tipo más comúnmente usado en los sistemas de potencia fluida. Las partes esenciales de un cilindro tipo pistón son un barril cilíndrico o camisa, un pistón y un vástago, cabezales extremos, y guarniciones convenientes para mantener el sellado. Los cabezales se encuentran fijados en los extremos de la camisa. Estos cabezales extremos contienen generalmente los puertos fluidos. Un cabezal extremo del vástago

contiene una perforación para que el vástago de pistón pase a través del mismo. Sellos convenientes llamados guarniciones se utilizan entre la perforación y el vástago del pistón para evitar que el líquido se escape hacia fuera y para evitar que la suciedad y otros contaminantes entren en la camisa. El cabezal del extremo contrario de la mayoría de los cilindros está provisto de un vínculo mecánico para asegurar el cilindro actuador a algún tipo de estructura. Este cabezal extremo se conoce como el cabezal de anclaje.

En la figura 6-1, vemos un corte esquemático de un cilindro típico. Este es denominado de doble efecto por que realiza ambas carreras por la acción del fluido.

Las partes de trabajo esenciales son: 1) La camisa cilíndrica encerrada entre dos cabezales, 2) El pistón con sus guarniciones, y 3) El vástago con su buje y guarnición.

El vástago del pistón se puede extender a través de cualquiera o de ambos extremos del cilindro. El extremo extendido del vástago es normalmente roscado para poder fijar algún tipo de vínculo mecánico, tal como un perno de argolla, una horquilla, o una tuerca de fijación. Esta conexión roscada del vástago y del vínculo mecánico proporciona un ajuste entre el vástago y la unidad sobre la que accionará. Después de que se haga el ajuste correcto, la tuerca de fijación se ajusta contra el vínculo mecánico para evitar que el mismo gire. El otro extremo del vínculo mecánico se fija, directamente o a través de un acoplamiento mecánico adicional, a la unidad que se accionará. De manera de satisfacer los variados requisitos en los sistemas de potencia fluidos, los cilindros tipo pistón están disponibles en variados diseños.

Calculo de la Fuerza de Empuje.

Las figuras 6-2A y 6-2B son vistas en corte de un pistón y vástago trabajando dentro de la camisa de un cilindro. El fluido actuando sobre la cara anterior o posterior del pistón provoca el desplazamiento de este a largo de la camisa y transmite su movimiento hacia afuera a través del vástago. 

El desplazamiento hacia adelante y atrás del cilindro se llama "carrera". La carrera de empuje se observa en la , Fig.6-2A y la de tracción o retracción en la Fig. 6-2B. 

La presión ejercida por el aire comprimido o el fluido hidráulico sobre el pistón se manifiesta sobre cada unidad de superficie del mismo como se ilustra en la figura 6-3.

 

  

Si nuestro manómetro indica en Kg./cm2, la regla para hallar la fuerza total de empuje de un determinado cilindro es: "El empuje es igual a la presión manométrica multiplicada por la superficie total del pistón", o: 

F (Kg.) = P (Kg./cm²) x A (cm²)

Ver también :

Cálculo de cilindros de aire comprimido. Guarniciones de Pistón

Importante: La fuerza de retracción del pistón de la figura 6-2B está dada por la presión multiplicada por el área "neta" del pistón. El área neta es el área total del pistón menos el área del vástago .

Dimensionando un Cilindro.

Un cilindro neumático debe ser dimensionado para tener un empuje MAYOR que el requerido para contrarrestar la carga.

El monto de sobredimensionamiento, esta gobernado por la velocidad deseada para ese movimiento; cuando mayor es la sobredimensi6n mas rápida va a realizarse la carrera bajo carga.

En la figura 6-4 el cilindro neumático soporta una carga con un peso de 450 Kg., su diámetro es de 4", y la presión de línea es de 5,7 Kg./cm2. El cilindro en es tas condiciones ejerce un empuje exactamente igual a 450 Kg., en estas circunstancias el cilindro permanecerá estacionario soportando la carga, pero sin moverla.

Qué sobre dimensionamiento es necesario? 

Esto depende de muchos factores, se sugiere aplicar la siguiente regla para usos generales: Cuando la velocidad de desplazamiento no es importante, seleccione un cilindro con una fuerza de empuje en 25% superior a lo necesario para altas velocidades sobredimensione en un 100%.

Velocidad de un Cilindro.

La velocidad de desplazamiento de un cilindro hidráulico es fácil de calcular si se emplea una bomba de desplazamiento positivo.

En la figura 6-5 mostramos un ejemplo típico, con un caudal de 40 litros por minuto ingresando al cilindro.

El área del pistón es de 78 cm² , para encon trar la velocidad de desplazamiento primero convertiremos los litros en cm³  por minuto es decir: 40 x 1000 = 40.000 cm³/min.

Luego dividimos este valor por el área del pistón obteniendo la

velocidad:

 

Fig.: Cilindro actuador tipo émbolo de simple efecto.

TIPOS DE CILINDROS

CILINDROS TIPO ÉMBOLO (RAM-TYPE CYLINDERS)

Los términos émbolo y pistón son de uso frecuente alternativamente. Sin embargo, un cilindro tipo émbolo se considera generalmente a aquel en el cual la superficie transversal del eje de pistón sea más de una mitad de la superficie transversal del elemento móvil. En la mayoría de los cilindros actuadores de este tipo, el émbolo y el elemento móvil tienen áreas iguales. Este tipo de elemento móvil se refiere con frecuencia como vástago (plunger).

El actuador émbolo se utiliza sobre todo para empujar más que traccionar. Algunos usos requieren simplemente una superficie plana en la parte externa émbolo para empujar o levantar la unidad con que se operará. Otros usos requieren algunos medios mecánicos de fijación, tales como una horquilla o un perno de argolla. El diseño de los cilindros émbolo varía en muchos aspectos para satisfacer los requisitos de diversos usos.

Émbolo de simple efecto (Single-Acting Ram)

El émbolo de efecto simple (ver figura adjunta) aplica la fuerza solamente en una dirección. El líquido que se dirige al cilindro desplaza el émbolo y lo fuerza hacia fuera, levantando el objeto puesto sobre el mismo. Puesto que no hay dispositivo para contraer el émbolo por medio de la potencia fluida, cuando se libera la presión del líquido, se retorna el émbolo nuevamente dentro del cilindro tanto por el peso del objeto o por algún medio mecánico, por ejemplo un resorte. Esto fuerza el líquido de nuevo al depósito.

El cilindro de émbolo actuador de efecto simple es de uso frecuente en el gato hidráulico. Los elevadores usados para mover los aviones hacia y desde la cubierta de vuelo y la cubierta de hangar en portaaviones también utilizan los

cilindros de este tipo. En estos elevadores, los cilindros están instalados horizontalmente y accionan el elevador con una serie de cables y gavillas.

La presión del líquido fuerza el émbolo hacia fuera y levanta el gato hidráulico. Cuando la presión del líquido se libera del émbolo, el peso del elevador fuerza el émbolo nuevamente dentro del cilindro. Esto, en cambio, fuerza el líquido nuevamente dentro del depósito.

Fig. : Cilindro émbolo de doble efecto.

Émbolo de doble efecto (Double-Acting Ram)

Un cilindro de émbolo de doble efecto se ilustra en la figura adjunta. En este cilindro, ambos movimientos del émbolo son producidos por el líquido presurizado. Hay dos puertos de fluido, uno en o cerca de cada extremo del cilindro. El líquido bajo presión se dirige al extremo cerrado del cilindro para extender el émbolo y para aplicar la fuerza. Para contraer el émbolo y reducir la fuerza, el líquido se dirige al extremo opuesto del cilindro.

Una válvula de control direccional de cuatro terminales se utiliza normalmente para controlar el émbolo doble. Cuando la válvula es posicionada para extender el émbolo, el líquido a presión entra al puerto A (ver figura adjunta), actúa en la superficie de la base del émbolo, y fuerza el émbolo hacia fuera. El líquido sobre el labio del émbolo queda libre para fluir hacia fuera por el puerto B, a través de la válvula de control, y a la línea de retorno en

sistemas hidráulicos o a la atmósfera en sistemas neumáticos.

Normalmente, la presión del fluido es igual para cualquier movimiento del émbolo. Recuerde que la fuerza es igual a la presión por el área (F= PA). Note la diferencia de las áreas sobre las cuales la presión actúa en el gráfico adjunto. La presión actúa contra la superficie grande en la parte inferior del émbolo durante el movimiento de extensión, mientras tanto el émbolo aplica la fuerza. Puesto que el émbolo no requiere una gran fuerza durante el movimiento de contracción, la presión que actúa en la pequeña área sobre la superficie superior del labio del émbolo proporciona la fuerza necesaria para contraer el mismo.

Cilindros de Simple Efecto o de Accionamiento Simple (Single-Acting Cylinder).

Cuando es necesaria la aplicación de fuerza en un solo sentido. El fluido es aplicado en la cara delantera del cilindro y la opuesta conectada a la atmósfera como en la figura 6-9. El cilindro tipo pistón de accionamiento simple es similar en diseño y operación al cilindro simple tipo émbolo. El cilindro tipo pistón de accionamiento simple utiliza la presión del fluido para proporcionar la fuerza en una dirección, y la tensión de un resorte, la gravedad, el aire comprimido, o el nitrógeno se utiliza para proporcionar la fuerza en la dirección opuesta. La figura adjunta muestra un cilindro actuador de accionamiento simple, cargado con resorte, tipo pistón. En este cilindro el resorte está situado en el lado del vástago del pistón. En algunos cilindros por resorte, el resorte está situado en el lado vacío, y el puerto fluido está en el lado del vástago del cilindro.

Fig.: Cilindros actuadores a pistón de accionamiento simple a resorte.

Una válvula de control direccional de tres vías se utiliza normalmente para controlar la operación del cilindro de pistón de simple efecto. Para extender el vástago del pistón, el fluido bajo presión es dirigido a través del puerto en el cilindro (ver figura adjunta). Esta presión actúa en la superficie del lado vacío del pistón y fuerza el pistón a la derecha. Esta acción mueve el vástago al lado derecho, a través del cabezal del cilindro, moviendo así la unidad accionada en una dirección. Durante esta acción, el resorte es comprimido entre el lado del vástago del pistón y el cabezal del cilindro. La longitud de la carrera depende de los límites físicos dentro del cilindro y del movimiento requerido de la unidad accionada.

Después de que la carrera de retroceso se ha completado, el pistón es retornado a su posición original por la acción de un resorte interno, externo, o gravedad u otro medio mecánico. El fluido actúa sobre el área "neta" del pistón por lo tanto para el cálculo de fuerza debe restarse el área representada por el vástago.

Para contraer el vástago del pistón, la válvula de control direccional se mueve a la posición de trabajo opuesta, que libera la presión en el cilindro. La tensión de resorte fuerza el pistón al lado izquierdo, contrayendo el vástago del pistón y moviendo la unidad accionada en la dirección opuesta. El fluido está ahora libre de desplazarse desde el cilindro, a través del puerto, retornando a través de la válvula de control a la línea de retorno en sistemas hidráulicos o a la atmósfera en sistemas neumáticos.

El extremo del cilindro opuesto a la entrada de fluido se ventea a la atmósfera. Esto evita que el aire quede atrapado en esta área. Cualquier aire atrapado se comprimiría durante el movimiento de extensión, creando una sobrepresión en el lado del vástago del pistón. Esto causaría un movimiento lento del pistón y podría producir un eventual bloqueo completo, evitando que la presión del fluido mueva el pistón.

ATENCIÓN: El resorte de retorno esta calculad exclusivamente para vencer la fricción propia del cilindro y "no" para manejar cargas externas.

Los cilindros de simple efecto con resorte interior se emplean en carreras cortas (máximas 100 mm.) ya que el resorte necesita un espacio adicional en la construcción del cilindro, lo que hace que estos sean mas largos que uno de doble efecto para la misma carrera.

El cilindro a resorte se utiliza en las barreras de frenado de aviones en algunos modelos de portaviones. Para levantar (contraer) el gancho de frenado, la presión del fluido se dirige a través de la válvula de control de frenado hacia el lado del vástago del cilindro. Esta fuerza mueve el pistón, que, a través del vástago y del acoplamiento mecánico, contrae el gancho de frenado. El gancho de frenado se

extiende cuando la presión del fluido retorna del lado del vástago del cilindro, permitiendo que el resorte se expanda.

Las fugas entre la pared del cilindro y el pistón son controladas por los sellos adecuados. El pistón en la figura adjunta contiene guarniciones en “V” (V-ring).  

En la figura 6-10 vemos un cilindro de simple efecto de empuje, estos cilindros se emplean en carreras cortas y diámetros pequeños para tareas tales como sujeción de piezas.

Émbolos buzo

              

Cilindro de doble actuador o doble vástago (Double-Acting Cylinder)

La mayoría de los cilindros actuadores son del tipo de pistón de doble actuador o doble efecto, lo que significa que el fluido bajo presión se puede aplicar a cualquier lado del pistón para proporcionar la fuerza y producir el movimiento. El cilindro de doble efecto mostrado en la figura 6-1 constituye la conformación más corriente de los cilindros hidráulicos y neumáticos, sin embargo para aplicaciones especiales existen variaciones cuyo principio de funcionamiento es idéntico al que

Fig.: Cilindro tipo pistón de doble actuador desequilibrado ( desbalanceado) o doble vástago

hemos descrito 

Un diseño del cilindro doble se ve en la figura adjunta. Este cilindro contiene un montaje de pistón y vástago de pistón. La carrera del pistón y vástago de pistón en cualquier dirección es producido por la presión del fluido. Los dos puertos fluidos, en cada extremo del cilindro, se alternan como puertos de entrada y salida, dependiendo de la dirección del fluido de la válvula de control direccional. Este actuador (ver figura adjunta) se conoce como cilindro actuador desequilibrado ( desbalanceado) porque hay una diferencia en las zonas de trabajo eficaces a ambos lados del pistón. Por lo tanto, este tipo de cilindro normalmente está instalado de modo que el lado vacío del pistón soporte la mayor carga; es decir, el cilindro soporte la mayor carga durante la carrera de extensión del vástago del pistón. La figura 6-6 nos ilustra un cilindro de doble vástago. Esta configuración es deseable cuando se necesita que el desplazamiento volumétrico o la fuerza sean iguales

 

en ambos sentidos.

Una válvula de control direccional de cuatro vías se utiliza normalmente para controlar la operación de este tipo de cilindro. La válvula puede ser posicionada para dirigir el fluido bajo presión a cualquier extremo del cilindro y para permitir que el líquido desplazado fluya del extremo contrario del cilindro a través de la válvula de control a la línea de retorno en sistemas hidráulicos o sea expulsado a la atmósfera en sistemas neumáticos.

En muchos trabajos la producción puede incrementarse mediante el uso de estaciones de trabajo operadas alternativamente por un cilindro de doble vástago Fig.6-7.

Cada estación puede realizar el mismo trabajo, o dos operaciones diferentes en una secuencia progresiva por ejemplo, diferentes operaciones en una misma pieza.

Una de los vástagos puede ser empleado para actuar sobre microcontactos o microvalvulas para establecer una secuencia,.en la

figura 6-8.

Hay aplicaciones donde es necesario mover dos mecanismos al mismo tiempo. En este caso, se requieren cilindros de doble actuador de diversos diseños. Véase las figuras adjuntas.

La figura adjunta muestra un cilindro actuador del tipo pistón doble actuador de tres puertos. Este actuador consta de dos pistones y actuadores de pistón. El fluido es dirigido a través del puerto A por una válvula de control direccional de cuatro vías y mueve los pistones hacia fuera, moviendo así los mecanismos fijados a los vástagos de pistones. El fluido sobre el lado del vástago de cada pistón es forzado hacia fuera del cilindro a través de los puertos B y C, que son conectados por una línea común a la válvula de control direccional. El líquido desplazado entonces atraviesa la válvula de control a la línea de retorno (cilindro hidráulico) o a la atmósfera (cilindro neumático).

Cuando el fluido bajo presión se dirige dentro del

Fig. Cilindro actuador de doble accionamiento de tres puertos.

Fig.: Cilindro actuador tipo pistón, de doble accionamiento y balanceado.

 

cilindro a través de los puertos B y C, los dos pistones se mueven hacia adentro, moviendo también los mecanismos adjuntos a los mismos. El fluido entre los dos pistones está libre para fluir desde el cilindro a través del puerto A y a través de la válvula de control a la línea de retorno o a la atmósfera.

Otro cilindro actuador es mostrado en la figura adjunta es del tipo equilibrado (balanceado) de doble accionamiento. El vástago de pistón se extiende a lo largo del pistón y hacia fuera a través de ambos extremos del cilindro. Uno o ambos extremos del vástago del pistón pueden estar vinculados al mecanismo que se accionará. En cualquier caso, el cilindro proporciona áreas iguales a cada lado del pistón. Por lo tanto, la misma cantidad de fluido y de fuerza se utilizará para mover el pistón una distancia dada en cualquier dirección.

 

En estos elementos, el fluido desplaza al vástago que esta empaquetado por la guarnición existente en el cabezal delantero.

Para el cálculo de fuerza, el área neta a tomarse en cuenta esta dada por el diámetro de vástago. Figura 6-11.

Este componente que encuentra su aplicación fundamentalmente en prensas hidráulicas, retorna a su posición original por acción de la gravedad, resortes internos o externos o cilindros adicionales que vemos en la figura 6-11A.

 

Cilindros Telescópicos (Telescoping Rams). Émbolos duales Cilindros con pistón no rotativo. Cilindros de vástago hueco. Cilindros en tándem. (Tandem Cylinders) Actuadores rotativos del tipo piñón/cremallera ( Rack-and-pinion pistons ).

 

Cilindros hidráulicos y neumáticos. Actuadores.  

Tipos de cilindros.

Cilindros Telescópicos (Telescoping Rams).

Tienen dos o mas buzos telescópicos y se construyen con un máximo de seis. Usualmente son de simple efecto del tipo empuje como la figura 6-12, o de doble efecto. 

Los buzos se extienden en una secuencia establecida por el área, sale primero el mayor y en forma subsiguiente los de menor diámetro.

La figura adjunta muestra un cilindro actuador del tipo de émbolos telescópicos. Una serie de émbolos se anidan en el conjunto telescópico. Con la excepción del émbolo más pequeño, cada émbolo es hueco y sirve como camisa de cilindro para el émbolo más pequeño siguiente. El conjunto telescópico se contiene en el montaje principal del cilindro, que también proporciona los puertos

fluidos. Aunque el conjunto requiera un pequeño espacio con todos los émbolos contraídos, la acción telescópica del conjunto proporciona un movimiento relativamente largo cuando los émbolos son extendidos. Un ejemplo excelente del uso de este tipo de cilindro está en el carro volquete. Se utiliza para levantar el extremo delantero de la pala de carro y para descargar la carga. Durante la operación de elevación, la fuerza más grande se requiere para la elevación inicial de la carga. Mientras que la carga se levanta y comienza a volcarse, la fuerza requerida se vuelve cada vez menor hasta que la carga se descargue totalmente. Durante el ciclo de elevación, el líquido a presión entra al cilindro a través del puerto A (ver figura) y actúa en la base de los tres émbolos. El émbolo 1 tiene una superficie más grande y, por lo tanto, proporciona la mayor fuerza para la carga inicial, a medida que el émbolo 1 alcanza el extremo de su movimiento y se disminuye la fuerza requerida, el émbolo 2 se mueve, proporcionando una fuerza más pequeña necesaria para continuar levantando la carga. Cuando el émbolo 2 termina su movimiento, se requiere una fuerza aún más pequeña. El émbolo 3 entonces se mueve hacia fuera para acabar de levantar y de descargar la carga.

Algunos cilindros de tipo émbolo telescópico son del tipo de efecto simple. Como el émbolo de efecto simple discutido previamente, estos cilindros de tipo émbolo telescópico se contraen por la gravedad o una fuerza mecánica. Algunos gatos hidráulicos se equipan con émbolos telescópicos. Tales gatos se utilizan para levantar vehículos en bajas elevaciones a la altura requerida.

Otros tipos de cilindros de tipo émbolo telescópico, como el que está ilustrado en la figura adjunta, son del tipo de doble efecto. En este tipo, la presión del líquido se utiliza tanto para los movimientos de extensión como para la contracción. Una válvula de control direccional de cuatro vías es usada generalmente para controlar la operación del doble efecto. Observe los pequeños pasos en las paredes de los émbolos 1 y 2. Estos proporcionan una trayectoria

Fig.: Cilindro actuador tipo émbolo telescópico.

 

para el líquido se desplace hacia y desde los compartimientos sobre los labios de los émbolos 2 y 3. Durante el movimiento de extensión, el fluido de retorno atraviesa estos pasos y sale del cilindro a través del puerto B. Luego atraviesa la válvula de control direccional hacia la línea de retorno o al depósito. Para contraer los émbolos, el fluido bajo presión se dirige al cilindro a través del puerto B y actúa contra las superficies superiores de los tres labios de émbolos. Esto fuerza los émbolos hacia la posición contraída. El líquido desplazado del lado opuesto de los émbolos sale del cilindro a través del puerto A, luego a través de la válvula de control direccional a la línea de retorno o al depósito..

 

Fig.: Sistema de actuador por émbolo doble para el control del timón de un barco.

Émbolos duales

Un montaje de émbolo dual consiste en un solo émbolo con un cilindro en cualquier extremo (ver figura). El líquido se puede dirigir a cualquier cilindro, forzando el émbolo para moverse en la dirección opuesta. El émbolo está conectado a través de un acoplamiento mecánico a la unidad a ser accionada. Una válvula de control direccional de cuatro vías se usa generalmente para hacer funcionar el émbolo dual. Cuando la válvula de control se posiciona para dirigir el líquido bajo presión a uno de los cilindros (supongamos el izquierdo), el émbolo es forzado a la derecha. Esta acción desplaza el líquido en el cilindro opuesto. Los fluidos desplazados retornan a través de la válvula de control direccional a la línea de retorno o de depósito en sistemas hidráulicos o a la atmósfera en sistemas neumáticos.

Los conjuntos actuadores de émbolo dual se utilizan en la mayoría de los barcos en los sistemas de dirección de timón. En algunos sistemas, utilizan sólo un conjunto para accionar el timón en cualquier dirección; mientras que en otros sistemas, utilizan a dos conjuntos para el mismo propósito.

Cilindros con pistón no rotativo.

Para evitar que el pistón de un cilindro gire durante su carrera pueden emplearse varios métodos a saber:

1. Guías externas 2. Vástago de sección ovalo cuadrada 3. Camisa ovalada o cuadrada, o una

guía interna como la mostrada en la figura 6-13 que constituye la solución mas corriente y económica, el perno de guía que atraviesa el pistón está empaquetado en este para evitar perdidas de fluido entre cámaras.

Una aplicación típica de un cilindro no rotativo la observamos en la figura 6-14 donde se requiera mantener una posición relativamente alineada.

Cilindros de vástago hueco.

En este tipo de construcción un orificio pasa de lado a lado el vástago, estos pequeños cilindros se fijan al dispositivo o carga median te un bulón que los atraviesa, Figura 6-15.

 

Cilindros en tándem. (Tandem Cylinders)

Un cilindro actuador en tándem consiste en dos o más cilindros ubicados uno detrás del otro, pero diseñado como una sola unidad (ver figura adjunta). Este tipo de cilindro actuador se utiliza en aplicaciones que requieren dos o más sistemas independientes; por ejemplo, sistemas de potencia de comando de vuelo en aviones navales.

Fig.: Cilindro actuador en tándem

El flujo de líquido a y desde los dos compartimientos del cilindro actuador en tándem es proporcionado a partir de dos sistemas hidráulicos independientes y es controlado por dos válvulas de control direccional de desplazamiento de carrete. En algunas aplicaciones, las válvulas de control y el cilindro actuador son dos unidades separadas. En algunas unidades, los pistones (superficies transversales o “lands”) de los dos carretes de desplazamiento se encuentran conformados en un eje común. En otros usos, las válvulas y el actuador están conectados directamente en una unidad compacta. A pesar de que las dos válvulas de control sean hidráulicamente independientes, se interconectan mecánicamente. En otras unidades, los dos carretes de desplazamiento están conectados a través de acoplamientos mecánicos con un vástago sincronizador. En cualquier caso, el movimiento de los dos carretes de desplazamiento está sincronizado, igualando así el flujo de líquido a y desde los dos compartimientos del cilindro actuador.

Puesto que las dos válvulas de control funcionan independientemente entre sí en lo que respecta a la presión hidráulica, la falla de cualquiera de los sistemas hidráulicos no deja el actuador inoperante. La falla de

un sistema no reduce la fuerza de la salida en una mitad; sin embargo, esta fuerza es suficiente para permitir la operación del actuador.

Fig.: Actuador rotativo del tipo piñón/cremallera de doble pistón

Actuadores rotativos del tipo piñón/cremallera ( Rack-and-pinion pistons ).

Los actuadores rotativos del tipo piñón/cremallera, también conocidos como cilindros de rotación limitada, de pistón bidireccional único o múltiple, son utilizados para girar, posicionar, dirigir, abrirse y cerrarse, hacer pivotar, o cualquier otra función mecánica que implique rotación restringida. La figura adjunta muestra un típico actuador de pistón del doble pistón/cremallera.

El actuador consiste en un cuerpo y dos pistones recíprocos con una cremallera integral para hacer girar el eje montado en cojinetes de rodillo o lisos. El eje y los cojinetes están situados en una posición central y empaquetados con un casquillo de cojinete. Los pistones, uno en cada lado de la cremallera, están incluidos en cilindros fabricados o enmangados dentro del cuerpo. El cuerpo se cierra con casquillos o

cabezales en cada extremo y guarniciones estáticas de sellado para prevenir fugas externas del líquido a presión.

Solamente algunas de las variadas aplicaciones de los cilindros actuadores fueron discutidos en los párrafos precedentes. La figura siguiente muestra tipos adicionales aplicaciones de fuerza y movimiento.

Además de su flexibilidad, el cilindro-tipo actuador es probablemente el componente con la menor cantidad de problemas de los sistemas de potencia fluida. Sin embargo, es muy importante que el cilindro, el acoplamiento mecánico, y la unidad actuadora estén alineados correctamente. Cualquier desalineamiento causará un desgaste excesivo del pistón, del vástago de pistón, y de los sellos. También, debe ser mantenido un ajuste apropiado entre el vástago del pistón y la unidad actuadora.

Cilindros hidráulicos y neumáticos > Guarniciones de Pistón.

El teorema de Pascal, del cual la ley fundamental de la ciencia de la hidráulica evolucionó, fue propuesto en el siglo XVII. Un requerimiento para hacer la ley efectiva para usos prácticos era un pistón que debía “caber” en la abertura del recipiente “exactamente.” Sin embargo, no fue hasta finales del siglo XVIII que

Joseph Brahmah ( 1749 - 1814 ) inventó un sello eficaz para el pistón, la guarnición de copa. Esto llevó al desarrollo de de la prensa hidráulica de Brahmah.

La empaquetadura fue probablemente la invención más importante en el desarrollo de la hidráulica como método principal de transmitir potencia. El desarrollo de máquinas para cortar y dar forma a piezas de encastre preciso fue también muy importante en el desarrollo de la hidráulica. Sin embargo, sin importar cuan preciso es el proceso de la máquina, se requiere generalmente un cierto tipo de empaquetadura de sello para hacer que el pistón, y muchas otras partes de componentes hidráulicos, “quepan exactamente.” Esto también se aplica a los componentes de sistemas neumáticos.

Con varios años de investigación y de experimentos, una gran variedad de materiales y diseños han sido creados tratando de desarrollar dispositivos convenientes de guarnición o empaquetadura. Los materiales apropiados deben ser durables, deben proporcionar un sello eficaz, y deben ser compatibles con el fluido usado en el sistema.

En forma general los materiales de sello se conocen comúnmente como juntas, empaques, empaquetaduras o guarniciones según el país y algunas ligeras diferencias funcionales. Los sellos usados en los sistemas de potencia fluida y los componentes se dividen en dos grupos generales sellos estáticos y sellos dinámicos.

El sello estático se conoce generalmente como junta o guarnición. La función de una junta es proporcionar un material que pueda amoldarse a las irregularidades superficiales de las áreas de acoplamiento que requieren el sello. Para hacer esto, el material de la junta debe estar bajo presión. Esto requiere que la unión esté atornillada firmemente o de lo contrario fírmemente empalmada.

El sello dinámico, designado comúnmente como empaquetadura, se utiliza para proporcionar un sello entre dos porciones que se muevan una con respecto a la otra. Por ejemplo en el vástago de una válvula hidráulica. Estas dos clasificaciones de sellos –guarniciones y empaquetaduras- se aplican en la mayoría de los casos; sin embargo, algunas diferencias se encuentran en algunas publicaciones técnicas. Ciertos tipos de sellos (por ejemplo los aros, anillos u o-rings) se pueden utilizar como guarnición o empaquetadura. Muchos de los sellos en sistemas de potencia fluida previenen pérdidas o fugas externas. Estos sellos tienen dos propósitos - sellar el líquido en el sistema de manera que sea un sistema estanco y evitar el ingreso de materia extraña al sistema. Otros sellos (juntas, retenes, aros, etc. ) previenen simplemente fugas internas dentro de un sistema.

NOTA: Aunque las fugas de cualquier clase dan lugar a una pérdida de eficacia, una cierta cantidad de pérdidas, especialmente pérdidas internas, es deseable en sistemas hidráulicos para proporcionar la lubricación de las piezas móviles. Esto también se aplica a algunos sistemas neumáticos en los cuales gotas del aceite se introducen en el flujo de aire que alimenta al sistema.

MATERIALES UTILIZADOS EN LA FABRICACIÓN DE SELLOS.

Según lo mencionado previamente, muchos y variados materiales se han utilizado en el desarrollo de los dispositivos de sello. El material usado para una aplicación particular depende de varios factores: compatibilidad con fluidos, resistencia al calor, presión, resistencia de desgaste, dureza, y tipo de movimiento.

La selección de las empaquetaduras y juntas correctas y su instalación apropiada son factores importantes al mantener un sistema de potencia fluido en forma

eficiente. Los tipos de sellos que se utilizarán en una parte particular del equipo son especificados por el fabricante de equipamiento.

En el caso de equipamiento militar, la selección de sellos se limita a menudo a los sellos cubiertos por especificaciones militares. Sin embargo, hay ocasiones en que pueden ser aprobados sellos no estándar o con marca registrada, que reflejan el avance tecnológico. Así, es importante seguir las instrucciones del fabricante cuando usted substituye las juntas o empaquetaduras. Si el sello apropiado no está disponible, se deberá dar una importante consideración a la selección de un substituto conveniente.

Los sellos se hacen de materiales que han sido cuidadosamente elegidos o desarrollado para los usos específicos. Estos materiales incluyen el tetraflouroretileno (TFE), comúnmente llamado Teflón; caucho sintético (elastómeros); corcho; cuero; metal; y asbesto. Algunos de los materiales más comunes usados para hacer los sellos para los sistemas de potencia fluida se discuten a continuación.

CORCHO

El corcho tiene varias de las características requeridas, que lo hace adecuado idealmente como material de sellado en ciertos usos. La compresibilidad de los sellos de corcho en guarniciones, juntas, aros, empaquetaduras, etc. los hace apropiado para usos confinados en los cuales poca o ninguna dispersión del material es permitida. La compresibilidad del corcho también lo convierte en un buen sello que se puede cortar a cualquier espesor y forma deseadas, para adaptarse a cualquier superficie y proporcionar así un sello excelente.Una de las características indeseables del corcho es su tendencia a desmenuzarse. Si el corcho se utiliza como empaquetadura o en áreas donde hay una alta presión y/o una alta velocidad de fluido, pequeñas partículas se desprenderán hacia el sistema. El uso del corcho en los sistemas de potencia fluida por lo tanto es limitado. Se utiliza a veces como material de junta para las placas de inspección de depósitos hidráulicos.

El corcho se recomienda generalmente para el uso donde las temperaturas continuas no exceden 275°F.

CORCHO Y CAUCHO

Los sellos de corcho y de caucho son hechos combinando el caucho sintético y el corcho. Esta combinación tiene las propiedades de ambos materiales. Esto significa que los sellos se pueden hacer con la compresibilidad del corcho, pero con una resistencia al fluido comparable al caucho sintético en el cual se basan. La combinación de corcho y de caucho se utiliza a veces para hacer juntas para usos similares a los descritos para las juntas de corcho.

CUERO

El cuero es un material de entramado compacto generalmente resistente, flexible, y relativamente resistente a la abrasión, al desgaste, a la tensión, y a los efectos de los cambios de temperatura. Debido a que es poroso, puede absorber el lubricante de los fluidos. Esta porosidad hace necesario impregnar el cuero para la mayoría las aplicaciones. Generalmente el cuero se debe curtir y tratar para hacerlo útil como material de junta. Los procesos de curtido son los usados normalmente en la industria de cuero.

El cuero es generalmente resistente a la abrasión sin importar si el lado de grano o el lado de descarne están expuestos a la acción abrasiva. El cuero se mantiene

flexible a bajas temperaturas y puede ser presionado con comparativa facilidad para ponerse en contacto con los rebordes del metal. Cuando está impregnado correctamente, éste es impermeable a la mayoría de los líquidos y a algunos gases, y capaz de soportar los efectos de las temperaturas en un rango de - 70°F a +220°F.

El cuero tiene cuatro limitaciones básicas. Primero, el tamaño del cuero típico limita el tamaño de los sellos que se pueden hacer con el mismo. Una segunda limitación es el número de sellos que sean aceptables. Otra limitación es que bajo altas presiones mecánicas el cuero se tiende a extrudir. Finalmente, muchas de las características (tales como impermeabilidad, fuerza extensible, resistencia a alta y baja temperatura, flexibilidad, y compatibilidad con el ambiente) dependen del tipo de cuero y de la impregnación. Los cueros no curtidos e impregnados para las condiciones y características específicas llegarán a ser frágiles, secos, y totalmente desengrasado por la exposición a los productos químicos particulares. El cuero nunca se utiliza con presión del vapor de ningún tipo, ni con las soluciones alcalinas o ácidos.

El cuero se puede utilizar como empaquetadura. Cuando está moldeado en forma de “V” y “U”, forma de copa, y otras formas, puede ser utilizado como empaquetadura dinámica, mientras que en su forma plana puede ser utilizado como empaquetadura de compresión plana.

METAL

Uno de los sellos más comunes de metal usados, por ejemplo, en equipos de la marina de guerra es el cobre. Los anillos de cobre planos se utilizan a veces como juntas debajo de los tornillos de reglaje para proporcionar un sello a los fluidos. Anillos de cobre moldeados se utilizan a veces como empaquetadura con engranajes de velocidad que funcionen sujetos a altas presiones. Cualquier tipo es fácilmente doblado y requiere trato cuidadoso. Además, el cobre se vuelve tenaz cuando se es utilizado durante largos periodos de tiempo y cuando está sujetado a una compresión. Siempre que una unidad o un componente sea desmontada, los anillos de sello de cobre deben ser substituidos. Sin embargo, si los nuevos anillos no están disponibles y la pieza debe ser reparada, el viejo anillo se debe ablandar mediante recocido (annealing). (El recocido es el proceso de calentar un metal, y después enfriarlo, para hacerlo más flexible y menos frágil.)

Aros metálicos de émbolo de pistón se utilizan como empaquetadura en algunos cilindros de impulsión de potencia fluida. Estos anillos son similares en diseño a los aros del émbolo de motores de automóvil. El metal también se utiliza con el asbesto para formar las guarniciones devanadas en espiral de metal-asbesto (ver figura adjunta). Estas juntas se componen de capas intercaladas de tiras acanaladas preformadas de metal y de asbesto, llamadas relleno

Fig.: Junta devanada en espiral de metal asbesto .

El relleno puede o no estar encapsulado en un anillo externo de metal sólido. Estas juntas se utilizan en conexiones bridadas y para conectar el cuerpo con el casquillo en algunas válvulas, y se requieren generalmente en aplicaciones de alta presión, y alta temperatura específicos.

CAUCHO - GOMA

El término caucho y caucho sintético cubre variedades numerosas. Las características de estas variedades tienen una amplia gama, a excepción de algunas semejanzas básicas, que los cauchos o gomas tienen características y limitaciones diversas; por lo tanto, los usos específicos requieren un estudio cuidadoso antes de que se seleccione el material de sello.

Los cauchos naturales tienen muchas de las características requeridas en un sello eficaz. Sin embargo, su resistencia muy pobre al petróleo y su envejecimiento rápido cuando están expuestos al oxígeno u ozono limitan su uso. Su uso casi ha cesado hoy.

Hay dos clases generales de sellos de caucho sintético. Una clase se hace enteramente de cierto caucho sintético. El término homogéneo, que significa que tienen una estructura o composición uniforme, se utilizan con frecuencia para describir esta clase de sello. La otra clase de sello es hecha impregnando lona gruesa de algodón o asbesto de entramado fino con caucho sintético. Esta clase se conoce a veces como sellos fabricados.

Figura 6-16 Aros de Pistón . Los aros de pistón del tipo Automotor son utilizados únicamente en cilindros hidráulicos de alta velocidad.

Los aros usualmente de fundición de hierro, trabajan en camisas de acero, presentan un pequeño nivel de fugas a través de ellos, por eso son utilizados donde es más importante una prolongada vida útil que una absoluta estanqueidad.

Figura 6-17   MÚLTIPLE V. Las guarniciones múltiples en V son en cilindros de alta velocidad donde se requiere estanqueidad absoluta. Adaptadores de metal o plástico , actúan como respal do de cada conjunto de guarniciones. En la práctica se utiliza una V por cada 500 PSI de presión actuante.

 

 

Figura 6-18 Guarnición de doble labio.

La guarnición es una placa metálica a la que se ha vulcanizado caucho sintéticos en doble labio. Sella en ambos sentidos. Utilizada en cilindros neumáticos e hidráulicos de baja presión provee una larga vida útil, Algunos fabricantes colocan una placa de guía que previene la defor mación de la guarnición por cargas radiales.

Figura 6-19 Copa.  

Realizadas en cuero o caucho sintético, son especialmente recomendadas para baja presión en aire. Los labios poseen una superficie amplia de sellado contra la camisa y la hacen en forma suave. A baja presión esta guarnición presenta una reducida fricción de arranque.

Figura 6-20 Guarnición "U"

Usualmente realizada en caucho sintético es fácil de reemplazar y muy popular para presio nes del orden de las 500 PSI en aire o hidráulica.

Figura 6-21 Bloque "V". Similar a la "U" pero con un inserto en el caucho sintético que le confiere características aptas para altas presiones. Presenta baja fricción a elevadas presiones.

Figura 6-22   O-Ring. La más sencilla guarnición de pistón. El O-Ring o guarnición "O" es la guarnición más económica, pero presenta ciertas desventajas: Su vida es más corta que la otras guarniciones, la fricción de arranque es elevada, y en cilindros de gran diámetro el orosello tiene tendencia a retorcerse y/o aplastarse.

Fig.: Instalación O-ring típica en un pistón

Figura 6-23 O-Ring. (arosello) con respaldo.

Para presiones elevadas o huelgos considerables, se coloca al arosello entre dos respaldos generalmente de teflón que impiden la extrusión del O-Ring a través de los huelgos.

AROS DE RETENCIÓN (retainer rings, antiextrusion devices, nonextrusion rings )

Los aros de retención, también designados como aros de empaquetadura, aros de respaldo, aros de empaque, anillos de soporte, anillos de retención, dispositivos antiextrusion, etc., son dispositivos tipo arandela que van instalados en el lado de baja presión de la empaquetadura para prevenir la extrusión del material de empaquetadura. Los aros de retención en sellos dinámicos reducen al mínimo la erosión de los materiales de empaquetadura y la falla posterior del sello. A bajas presiones, los aros de retención prolongarán la vida normal de desgaste de la empaquetadura. A presiones altas, los aros de retención permiten mayores separaciones entre las piezas móviles. Normalmente, los aros de retención son requeridos para presiones de funcionamiento superiores a 1500 psi.

Los aros de retención se pueden hacer de politetrafluoetileno, de caucho duro, de cuero, y de otros materiales. El material más común usado actualmente es el tetraflouroretileno (TFE). Los aros de retención están disponibles como de vuelta única continua (sin corte o sólidos), vuelta única con corte en diagonal y tipo espiral. Véase la figura adjunta. Los aros de cuero se suministran siempre en la forma de aro sólido (sin corte). Los aros de TFE están disponibles en los tres tipos.

Fig.: En caso de que sólo un aro de retención sea usado, la forma de colocación correcta se ve en la Vista A, y no a la inversa como la vista B.

Empaquetado y almacenamiento

Los aros de retención no tienen código de color u otro tipo de marca y se deben identificar según las etiquetas de empaquetado. Los aros de retención hechos de TFE no se deterioran con el paso del tiempo y no tienen limitaciones de vida útil. Los aros de retención de TFE son provistos por el fabricante en paquetes individualmente sellados o en mandriles. Si los anillos desempaquetados son almacenados durante mucho tiempo sin el uso de mandriles, pueden llegar a superponerse. La superposición ocurre cuando la identificación del aro de retención

llega a ser más pequeña y sus extremos se traslapan. Para corregir este problema, apile los anillos de TFE en un mandril del diámetro correcto, y asegure los anillos con sus espirales en forma plana y paralela. Coloque los anillos en un horno en una temperatura máxima de 177°C (350°F) por aproximadamente 10 minutos.

No los recaliente porque las emanaciones de la descomposición del TFE son tóxicas. Quite y enjuague los anillos. Almacene los anillos a temperatura ambiente antes de usarlos (preferiblemente por 48 horas).

Figura 6-24 O-Ring. (arosello) con zapata.

Un oro de plástico o zapata es colocado sobre el O-Ring Standard. Esta zapata en contacto con la camisa trabaja cómo guarnición deslizante. El O-Ring provee a la zapata la expansión necesaria para el contacto con la camisa. Esta disposición presenta, baja fricción de arranque y una vida mas larga que el O-Ring solo.

Guarniciones “T”

La guarnición “T” tiene un elemento de sello bidireccional elastomérico que se asemeja a una letra invertida T. Este elemento de sello se acopla siempre con dos anillos de soporte de resistencia a la extrusión especiales, uno en cada lado de la “T”. La configuración básica de la guarnición “T” se observa en la figura adjunta, vista A. Los anillos de soporte son una sola vuelta, corte en diagonal, y hechos generalmente de TFE, de nilón impregnado de disulfuro de molibdeno, o de una combinación de TFE y de nilón. El nilón es ampliamente utilizado para los anillos de soporte de las guarniciones “T” porque proporciona una resistencia excelente a la extrusión y tiene punto bajas características de fricción. La configuración especial de guarniciones “T” agrega estabilidad a la junta, eliminando espirales y rollos.

Los sellos “T” se utilizan en aplicaciones donde separaciones grandes podrían ocurrir como resultado de la expansión del cilindro hidráulico de paredes delgadas. Los sellos “T” son instalados bajo compresión radial y proporcionan un sello positivo a presión cero o baja. Los anillos de soporte, uno en cada lado, se encuentran libres de los rebordes de la junta “T” y del vástago o la pared del cilindro (ver figura adjunta, vista B). Estas separaciones mantienen la fricción del sello a un mínimo a presión baja. Cuando se aplica presión (ver figura adjunta, vista C), la junta “T” actúa para proporcionar acción positiva de sellado mientras

que la presión del fluido aumenta .

Sellos Quad-Ring®

Los sellos Quad-Ring® son anillos de empaquetadura de configuración especial, manufacturado por Minnesota Rubber. En comparación con un anillo o-ring, un sello Quad-Ring® tiene una forma de sección transversalmente cuadrada con las esquinas redondeadas (ver figura). Los sellos Quad-Ring® ofrecen más estabilidad que el diseño del arosello tipo o-ring y elimina prácticamente las torceduras o el efecto espiral que se encuentra a veces en los o-ring.

Fig.: Junta Quad-Ring®  

Guarniciones de Vastago.

Estas ilustraciones vistas anteriormente representan las guarniciones mas comunes de vástago de cilindros, no pretenden demostrar los aspectos constructivos del buje de guía del vástago generalmente construida en bronce, teflón o nylon. Las empaquetaduras de vastago se construyen en una variedad de materiales compatibles con las presiones, temperaturas y fluidos a emplearse. Los materiales mas corrientes son: Neoprene , BUNA-N, BUNA-S, Siliconas, Butyl, Uretano, Viton-A, hy-cor, caucho natural, cuero, Teflón ,  Kel-F, Nylon, etc.

Figura 6-25 "N" Múltiples.

Usadas en un mínimo de 2 y un máximo de 6 con sus respaldos en cada extremo, proveen buen servicio en hidráulica de presión media y alta.

 

Figura 6-26 "U".

Utilizada como guarnición única para aire comprimido y bajas presiones hidráulicas.

Figura 6-27 Sombrero.

De cuero o caucho sintético apta para bajas presiones neumáticas o hidráulicas.

Figura 6-28 Empaquetadura Ajustable.

Donde es admitida la elevada fricción esta guarnición asegura un vástago siempre seco.

Figuras 6-29, 6-30 y 6-31

Los orosellos con respaldos o zapatas para baja fricción empleados en neumática e hidráulica.

     

Ejemplo de aplicación práctica de circuito hidráulico.

Veamos un tipo de aplicación hidráulica como ejemplo, sea el caso de un equipo para corte de césped TORO.

Fig. 1

Un circuito hidráulico, sea simple o complejo, utiliza los siguientes principios hidráulicos básicos:

1. Un líquido puede asumir cualquier forma y puede ser bidireccional sin que esto afecte el movimiento libre del flujo (Fig. 2).

Fig. 2

2. La ley de Pascal sostiene que cuando un fluido dentro de un contenedor es sometido a presión, la presión se transmite igualmente en todas direcciones y a todas las caras del contenedor. Éste es el principio que se usa para extender el ariete en un cilindro hidráulico (Fig. 3).

Fig. 3

3. Al fabricar los contenedores o cilindros de diferentes tamaños, aumenta la ventana mecánica en la fuerza de trabajo (Fig. 4).

Fig. 4

Circuitos hidráulicos básicos y componentes usados en equipo para césped.

Si bien la disposición en los circuitos hidráulicos puede variar considerablemente en diferentes aplicaciones, muchos de los componentes son similares en su diseño o función. El principio detrás de la mayoría de los sistemas hidráulicos es similar al de los gatos hidráulicos. El aceite del depósito es empujado a través de una válvula de chequeo dentro de una bomba de pistones durante el ciclo ascendente del pistón (Fig. 5).

Fig. 5

Cuando se empuja el pistón de la bomba hacia abajo, el aceite pasa por una segunda válvula de chequeo hacia el interior del cilindro. Cuando la bomba es accionada hacia arriba y hacia abajo, el aceite entrante extenderá el ariete del cilindro. El cilindro de elevación se mantendrá en posición extendida porque la válvula de chequeo se asienta por la presión que se ejerce sobre ella desde el lado de carga del cilindro. El cilindro retorna a la posición neutra al sacar de asiento o pasar por alto la válvula de chequeo, lo cual permite que el aceite del cilindro retorne al depósito (Fig. 6).

Fig. 6

Como por lo general el desplazamiento de la bomba es menor que el del cilindro, cada tiempo de la bomba moverá el cilindro en una cantidad muy pequeña. Si se requiere que el cilindro se mueva más rápido, se debe aumentar el área de superficie del pistón de la bomba y/o la rapidez con que se acciona la bomba. EL FLUJO DE ACEITE DA AL ARIETE DEL CILINDRO SU VELOCIDAD DE MOVIMIENTO Y LA PRESIÓN DE ACEITE GENERA LA FUERZA DE TRABAJO.

Se puede mejorar el rendimiento y aumentar la versatilidad de un circuito básico incorporando ciertos componentes sofisticados y cambiando la disposición del circuito. Al incorporar una bomba de engranajes en lugar de una bomba de pistones manual, se aumenta el flujo de aceite al cilindro y con ello se aumenta la velocidad de accionamiento del ariete.

El tipo de bomba más común es la bomba de engranajes (Fig. 7). Cuando giran los engranajes de la bomba, se genera succión en el orificio de entrada de la bomba. El fluido es halado al interior de la bomba y es llevado en los espacios situados entre los dientes de los engranajes hacia el orificio de descarga de la bomba. En el lado de descarga de la bomba los dientes de los engranajes se engranan y se descarga el aceite de la bomba.

Fig. 7

Abajo esta una vista de un corte transversal de una bomba de tres secciones.

Fig. 8

El flujo de la bomba al cilindro es controlado por un cuerpo de cilindro deslizante que se puede accionar mediante un solenoide eléctrico, manualmente o mediante una palanca operada con el pie. La Figura 9 corresponde a una válvula de centro

abierto, en la cual el flujo de aceite retorna al depósito cuando la válvula está en posición neutra. Si el flujo de aceite se detiene en la posición neutra, se trata de una válvula de centro cerrado.

Fig. 9

Abajo se muestra una vista de un corte transversal de una válvula de control hidráulica real (Fig. 10).

Fig. 10

Se muestra una válvula de cuerpo de cilindro deslizante en un sistema hidráulico simple. Se puede ver que la válvula está en posición neutra y que la totalidad del flujo de la bomba se devuelve al depósito.

Fig. 11

Si el cuerpo de cilindro se mueve hacia arriba, el flujo de aceite de la bomba se dirige a través del mismo a un extremo del cilindro de elevación. El aceite del extremo opuesto del cilindro es empujado hacia fuera mientras el ariete se extiende, luego pasa por el cuerpo de cilindro y retorna al depósito (Fig. 12).

Fig. 12

Como el fluido de una bomba de desplazamiento positivo debe fluir continuamente cuando la bomba está funcionando, el mismo debe tener dónde ir cuando no es usado por los actuadores. Si la carga del cilindro llega a ser excesiva o si el ariete llega al fondo, el flujo desde la bomba será dirigido a través de la válvula de alivio de vuelta al depósito (Fig. 13).

Fig. 13

Al sustituir el cilindro de elevación por un motor de engranajes, se puede aprovechar el circuito básico para crear un movimiento giratorio que impulse los accesorios (Fig. 14).

Fig. 14

La Figura 15 muestra un motor de carrete o molino hidráulico.

Fig. 15

La Figura 16 ilustra el circuito básico y los componentes necesarios para impulsar las unidades cortantes del molino. Con el cuerpo de cilindro en la posición ascendente, el flujo de aceite se dirige por la válvula de cuerpo de cilindro al orificio inferior, lo cual impulsa el motor en dirección hacia adelante.

Fig. 16

Al accionar el cuerpo de cilindro hacia abajo, el flujo de aceite desde la bomba se dirige al orificio opuesto del motor. El motor gira entonces en sentido contrario (Figura 17).

Fig. 17

Válvula de contrabalance

Fig.: Válvula de contrabalance.

1. TORNILLO DE AJUSTE 2. DRENAJE INTERNO 3. RESORTE 4. CARRETE 5. ENTRADA DE PRESIÓN O SALIDA DE

FLUIDO LIBRE REVERSO 6. PASAJE PILOTO 7. VÁLVULA DE RETENCIÓN 8. SALIDA DE DESCARGA O SALIDA DE

FLUIDO LIBRE REVERSO

La válvula de contrabalance ( counterbalance valve ) está situada normalmente en la línea entre una válvula de control direccional y la salida de un cilindro de hidráulico de impulsión montado verticalmente que soporta un peso o se debe mantener en posición por un periodo de tiempo. Esta válvula sirve como resistencia hidráulica al cilindro de impulsión. Por ejemplo, las válvulas de contrabalance se utilizan en algunas palas elevadoras accionadas hidráulicamente. La válvula ofrece una resistencia al flujo del cilindro de impulsión cuando se baja la pala. También ayuda a mantener la pala en la posición ascendente.

Un tipo de válvula de contrabalance se ilustra en la figura adjunta. El elemento de válvula es un carrete equilibrado (4). El carrete consiste en dos pistones fijados permanentemente en cualquier extremo de un eje. Las superficies internas de los pistones son iguales; por lo tanto, la presión actúa igualmente en ambas áreas sin importar la posición de la válvula y no tiene ningún efecto sobre el movimiento del válvula - de ahí, el nombre de balanceado. El área del eje entre los dos pistones proporciona el área para que el líquido fluya cuando la válvula está abierta. Un pequeño pistón (9) se adjunta a la parte inferior de la válvula de carrete.

Cuando la válvula está en la posición cerrada, el pistón superior de la válvula de carrete bloquea el puerto de descarga (8). Con la válvula en esta posición, el líquido

9. PISTON

que fluye desde la unidad de impulsión ingresa en el puerto de entrada (5). El líquido no puede atravesar la válvula porque se bloquea el puerto 8 de descarga. Sin embargo, el líquido atravesará el paso piloto (6) hacia el pequeño pistón piloto. A medida que la presión aumenta, ésta actúa sobre el pistón piloto hasta que supera la presión de reglaje del resorte 3. Esto fuerza el carrete de la válvula (4) para arriba y permite que el líquido fluya alrededor del eje del carrete de la válvula y se descargue afuera hacia el puerto 8. La figura muestra la válvula en esta posición. Durante el flujo inverso, el líquido entra en el puerto 8. El resorte (3) fuerza el carrete 4 de la válvula a la posición cerrada. La presión del líquido supera la tensión de resorte de la válvula de retención (7). La válvula de retención se abre y permite el libre flujo alrededor del eje del carrete de válvula y hacia fuera a través del puerto 5.

La presión operativa de la válvula puede ser ajustada girando el tornillo de ajuste (1), que aumenta o disminuye la tensión del resorte. Este ajuste depende del peso que la válvula debe soportar.

Es normal que una pequeña cantidad de líquido se pierda alrededor del pistón superior de la válvula de carrete y dentro del área alrededor del resorte. Una acumulación causaría una presión adicional en la parte superior de la válvula de carrete. Esto requeriría presión adicional para abrir la válvula. El drenaje (2) proporciona un paso para que este líquido fluya hacia el puerto 8.

VÁLVULAS DE CONTROL DIRECCIONAL

Las válvulas de control direccional se diseñan para dirigir el flujo de líquido, en el tiempo deseado, al punto en un sistema de potencia fluido donde hará el trabajo. El desplazamiento de un émbolo en su cilindro hacia adelante y hacia atrás es un ejemplo de cuando se utiliza una válvula de control direccional. Varios otros términos se utilizan para identificar las válvulas direccionales, tales como válvula de selector, válvula de transferencia, y válvula de control. Este sitio utilizará el término válvula de control direccional para identificar estas válvulas.

Las válvulas de control direccional para sistemas hidráulicos y neumáticos son similares en diseño y la operación. Sin embargo, hay una diferencia principal. El puerto de retorno de una válvula hidráulica está canalizado a través de una línea de retorno al depósito, mientras que el puerto similar de una válvula neumática, designado comúnmente como puerto de escape, se ventea generalmente a la atmósfera.

Las válvulas de control direccional pueden ser operadas por diferencias en la presión que actúa en los lados opuestos del elemento de la válvula, o pueden ser operadas manual, mecánica, o eléctricamente. A menudo dos o más métodos de funcionamiento de la misma válvula serán utilizados en diversas fases de su acción.

CLASIFICACIÓN

Las válvulas de control direccional se pueden clasificar de varias maneras. Algunas de las diferentes posibilidades están por el tipo de control, el número de puertos en el cuerpo de la válvula, y la función específica de la válvula. El método más común es por el tipo de elementos usado en la construcción de la válvula. Los tipos más comunes de partes de una válvula son la bola, el cono o la manga, la válvula de husillo vertical, el carrete rotatorio, y el carrete móvil. Los principios de funcionamiento básico de los

elementos valvulares como la válvula de husillo vertical, del carrete rotatorio, y del carrete móvil se discuten en el texto a continuación.

Fig.: Operación de una simple válvula de disco con husillo vertical.

Válvula de disco con husillo vertical ( válvula "poppet")

La válvula de disco con movimiento vertical se ubica en la perforación central del asiento (ver figura adjunta). Las superficies de asiento de la válvula y del asiento están encastradas o finamente trabajadas a máquina de modo que el alesaje del centro sea sellado cuando se asienta la válvula de disco (posición cerrada). La acción de la válvula de disco con movimiento vertical es similar a la de las válvulas en un motor de automóvil. En la mayoría de las válvulas, el disco de la válvula se mantiene asentada en su posición mediante un resorte.

La válvula consiste básicamente en una válvula de disco con movimiento vertical móvil que se cierra contra el asiento de válvula. En la posición cerrada, la presión del líquido en el lado de entrada tiende a sostener la válvula cerrada firmemente. Una pequeña cantidad de movimiento de una fuerza aplicada al vástago de la tapa de la válvula de disco abre la válvula de disco con movimiento vertical y permite que el líquido atraviese la válvula. El uso de la válvula de disco como elemento de válvula no se limita a las válvulas de control direccional.

Fig: Partes de una válvula de control direccional tipo carrete rotatorio.

Carrete rotatorio ( "rotary spool") La válvula de control direccional de carrete rotatorio (ver figura adjunta) tiene un núcleo redondo con uno o más pasos o hendiduras en el mismo. El núcleo se monta dentro de una manga inmóvil. Mientras que el núcleo se gira dentro de la manga inmóvil, los pasos o hendiduras conectan o bloquean los puertos en la manga. Los puertos en la manga están conectados con las líneas apropiadas del sistema fluido.

Fig.: Válvula de control direccional de carrete de desplazamiento, de dos vías.

Carrete de desplazamiento. La operación de una simple válvula de control direccional de desplazamiento de carrete se observa en la figura adjunta. La válvula se denomina así debido a la forma del elemento de válvula, que se desplaza hacia adelante y hacia atrás para bloquear y para abrir los puertos dentro de la cubierta. (El elemento de desplazamiento se conoce también como pistón.) Las áreas internas transversales del pistón son iguales. Así el líquido bajo presión que entra en la válvula desde los puertos de entrada actúa igualmente en ambas áreas internas del pistón sin importar la posición del carrete. El sellado es logrado generalmente por un elevado encastre entre el carrete y el cuerpo de válvula o la manga. Para las válvulas con más puertos, el carrete se diseña con más pistones o áreas transversales sobre un eje común. El carrete de desplazamiento es el elemento de válvula generalmente más usado en válvulas de control direccional.

Válvulas de retención

Las válvulas de retención se utilizan en los sistemas fluidos para permitir flujo en una dirección y para bloquear el mismo en la otra dirección. Se clasifican como válvulas de control direccional de una sola vía o unidireccionales.

La válvula de retención puede instalarse independientemente en una línea para permitir el flujo en una dirección solamente, o puede ser utilizada como parte integrante de válvulas globo, de secuencia, de contrabalance, y de válvulas manorreductoras.

Las válvulas de retención están disponibles en varios diseños. Son abiertas por la fuerza del líquido en movimiento que fluye en una dirección, y son cerradas por el líquido que intenta retornar en la dirección opuesta. La fuerza de gravedad o la acción de un resorte ayuda al cierre de la válvula.

La figura adjunta muestra una válvula de retención de charnela ( también llamada válvula de retención de clapeta, de asiento inclinado, oscilante, de columpio, swing check valve , etc. ). En la posición abierta, el flujo de líquido fuerza el disco con bisagras hacia arriba y permite el libre paso por la válvula. El flujo que intenta retornar en la dirección opuesta, con la ayuda de la gravedad, fuerza el disco con bisagras a cerrar el paso y bloquea el paso. Este tipo de válvula se diseña a veces con un resorte para ayudar a cerrar la misma.

Fig.: Válvula de retención de charnela.

El tipo más común de válvula de retención, instalada en sistemas potencia fluida, utiliza una bola o cono como elemento de obturación (ver figura siguiente). A medida que la presión del líquido acciona en la dirección de la flecha, el cono (vista A) o bola (vista B) es forzado a salir de su asiento, permitiendo que el líquido fluya libremente a través de la válvula. Esta válvula se conoce como válvula de retención por resorte.

El resorte está instalado en la válvula para sostener el cono o la bola en su asiento siempre que no esté fluyendo el líquido. El resorte también ayuda a forzar el cono o la bola en su asiento cuando el líquido intenta fluir en la dirección opuesta. Puesto que la abertura y el cierre de este tipo de válvula no dependen de la gravedad, su localización en un sistema no está limitada a la posición vertical.

Una modificación de la válvula de retención por resorte es la válvula de retención de orificio (ver figura adjunta). Esta válvula permite el flujo normal en una dirección y flujo restringido en la otra. Se refiere a menudo como restrictor unidireccional.

Fig.: Válvula de retención por resorte. Fig.: Válvula de retención de orificio

En la figura adjunta vista A, se puede ver una válvula de retención de orificio tipo cono. Cuando una suficiente presión de líquido es aplicada en el puerto de entrada, la misma supera la tensión de resorte y quita el cono de su asiento. Los dos orificios (2) en la ilustración representan varias aberturas localizadas alrededor de la circunferencia inclinada del cono. Estos orificios permiten el libre flujo de líquido a través de la válvula mientras que el cono está fuera de su asiento. Cuando la presión del líquido es aplicada a través del puerto de salida, la fuerza del líquido y la tensión del resorte mueven el cono a la izquierda y ubicándolo en su asiento. Esta acción bloquea el flujo de líquido a través de la válvula, excepto a través del orificio (1) en el centro del cono. El tamaño del orificio (en el centro del cono) determina el índice de flujo que atraviesa la válvula a medida que este se desplaza de derecha a izquierda.

En la figura adjunta vista B, se puede ver una válvula de retención de orificio tipo bola. El líquido que atraviesa la válvula de izquierda a derecha fuerza la bola fuera de su asiento y permite un flujo normal. Mientras que el líquido que atraviesa la válvula en dirección contraria empuja la bola sobre su asiento. Así, el flujo es restringido por el tamaño del orificio situado en la cubierta de la válvula.

NOTA: La dirección de libre flujo a través de la válvula de retención de orificio está indicada por una flecha estampada en la cubierta.

VÁLVULA DE LANZADERA ( "shuttle valve" )

En ciertos sistemas de potencia fluida, la fuente de líquido hacia un subsistema debe provenir de más de una fuente para cumplir requisitos de sistema. En algunos sistemas, un sistema de emergencia es provisto como fuente de presión en caso de fallo del sistema normal. El sistema de emergencia accionará solamente los componentes esenciales.

El propósito principal de la válvula de lanzadera es aislar el sistema normal de un sistema alternativo o de emergencia. Es pequeña y simple; con todo, es un componente muy importante.

 

La figura adjunta es una vista cortada de una válvula de lanzadera típica. La cubierta contiene tres puertos, la entrada normal del sistema, la entrada del sistema alternativo o de emergencia, y la salida. Una válvula de lanzadera que es usada para operar más de una unidad de impulsión puede contener puertos de salida adicionales. Incluido en la cubierta hay una parte desplazable llamada lanzadera ("shuttle" propósito es aislar uno u otro puerto de entrada. Hay un asiento de la lanzadera en cada puerto de entrada.

Cuando una válvula de lanzadera está en la posición de operación normal, el líquido tiene libre circulación desde el puerto de entrada normal del sistema, a través de la válvula, y hacia fuera a través del puerto de salida a la unidad de impulsión. La lanzadera se asienta contra el puerto de entrada del sistema alternativo y es sostenida allí por la presión de sistema normal y por el resorte de la válvula de lanzadera. La lanzadera permanece en esta posición hasta que el sistema alternativo sea activado. Esta acción dirige el líquido bajo presión del sistema alternativo hacia la válvula de lanzadera y fuerza la lanzadera desde puerto de entrada del sistema alternativo al puerto de entrada normal del sistema. El líquido del sistema alternativo entonces tiene una libre circulación al puerto de salida, pero es controlado para que no entre en el sistema normal por la lanzadera, que aísla el puerto normal del sistema.

La lanzadera puede ser uno de cuatro tipos: (1) émbolo desplazable, (2) pistón presionado por resorte, (3) bola presionada por resorte, o (4) válvula de disco con movimiento vertical presionada por resorte. En las válvulas de lanzadera que se diseñan con un resorte, la lanzadera se sostiene normalmente contra el puerto de entrada del sistema alternativo por el resorte.

 

Fig.: Válvula de lanzadera

 

 

Fig.: Válvula de control direccional de carrete de desplazamiento, de dos vías.

VÁLVULAS DE DOS VÍAS

El término dos vías indica que la válvula contiene y controla el funcionamiento de la entrada de dos de puertos de flujo - una entrada y una salida. Una válvula de control direccional de carrete desplazable de dos vías, se ve en la figura adjunta. Mientras que el carrete se mueve hacia adelante y hacia atrás, éste permite que el líquido atraviese la válvula o bloquee su paso. En la posición abierta, el líquido entra en el puerto de entrada, fluye alrededor del eje del carrete, y a través del puerto de salida. El carrete no se puede mover hacia adelante o hacia atrás por la diferencia de fuerzas establecidas dentro del cilindro, puesto que las fuerzas allí son iguales. Según lo indicado por las flechas sobre los pistones del carrete, la misma presión actúa en áreas iguales en sus superficies interiores. En la posición cerrada, uno de los pistones del carrete simplemente bloquea el puerto de entrada, previniendo así que atraviese la válvula.

Un número de características comunes a la mayoría de las válvulas de desplazamiento de carrete se muestran en la figura adjunta. Los pequeños puertos en cada extremo del cuerpo de la válvula proporcionan un paso para cualquier líquido que se escape por fugas a través del carrete para retornar al depósito. Esto evita que la presión se acumule contra los extremos de los pistones, lo que obstaculizaría el movimiento del carrete. Cuando las válvulas de carrete sufren desgaste, pueden perder el balance debido a mayores pérdidas en un lado del carrete que en el otro. En ese caso, el carrete tendería a pegarse al moverse hacia adelante y hacia atrás. Por lo tanto, pequeños surcos son maquinados alrededor de la superficie de deslizamiento del pistón; y en válvulas hidráulicas, así el líquido que se escapa rodeará los pistones y mantendrá las superficies de contacto lubricadas y centradas.

Fig. : válvula de control direccional de tres vías, de husillo vertical ( tipo "poppet"), accionada por leva.

VÁLVULAS DE TRES VÍAS

Las válvulas de tres vías contienen un puerto de presión, un puerto de cilindro, y un puerto de retorno a depósito o de escape. La válvula de control direccional de tres vías se diseña para accionar una unidad de impulsión en una dirección; permite que la carga en la unidad de impulsión o que un resorte retorne la unidad a su posición original.

Válvulas de tres vías accionadas a leva

La figura adjunta muestra la operación de una válvula de control direccional de tres vías, de husillo vertical ( tipo "poppet"), accionada por leva. La vista A muestra el fluido bajo presión que fuerza el pistón hacia fuera contra una carga. La válvula de disco con movimiento vertical superior (2) es quitada de su asiento por la leva interior (5), permitiendo que el líquido fluya de la línea (3) hacia el cilindro para accionar el pistón. La válvula de disco con movimiento vertical inferior (1) se asienta, aislando el flujo en la línea de retorno (4). A medida que la fuerza del líquido a presión extiende el vástago del pistón, también comprime el resorte en el cilindro.

La vista B muestra la válvula con la manivela de control girada a la posición opuesta. En esta posición, la válvula de disco con movimiento vertical superior (tipo "poppet") (2) se asienta, bloqueando el flujo de líquido de la línea de presión (3). La válvula de disco con movimiento vertical inferior (1) es quitada de su asiento por la leva exterior (6). Esto libera la presión en el cilindro y permite que el resorte se amplíe, lo que fuerza el vástago del pistón a contraerse. El líquido del cilindro atraviesa la válvula de control y luego sale hacia el puerto de retorno (4). En sistemas hidráulicos, el puerto de retorno está conectado por una línea al depósito. En sistemas neumáticos, el puerto de retorno está generalmente abierto con escape a la atmósfera.

Referencias de la figura :

1. Válvula de disco con movimiento vertical inferior ( "poppet" inferior )

2. Válvula de disco con movimiento vertical superior ( "poppet" superior )

3. Línea de presión 4. Puerto de retorno o escape 5. Leva interna6. Leva externa

 

Fig.: válvula de control direccional de tipo disco con movimiento vertical (poppet), de tres vías y operada por piloto .

Válvulas de tres vías accionadas por piloto Una válvula de control direccional de tipo disco con movimiento vertical (poppet), de tres vías y operada por piloto se observa en la figura adjunta. Las válvulas de este diseño son de uso frecuente en sistemas neumáticos. Esta válvula es normalmente cerrada y es forzada a abrirse por la presión del fluido que ingresa a la cámara piloto. La válvula contiene dos válvulas de disco con movimiento vertical conectadas entre sí por un vástago común. Las válvulas de disco están conectadas con diafragmas que los mantienen en una posición centrada.

El movimiento de la válvula de disco con movimiento vertical es controlado por la presión en el puerto piloto y la cámara sobre el diafragma superior. Cuando la cámara piloto no está presurizada, la válvula de disco con movimiento vertical inferior se asienta contra el asiento de válvula más bajo. El fluido puede desplazarse desde la línea de suministro a través del puerto de entrada y a través de los agujeros en el diafragma inferior para llenar la cámara inferior. Esta presión mantiene firmemente la válvula de disco con movimiento vertical más baja contra su asiento y bloquea el fluido desde el puerto de entrada a través de la válvula. Al mismo tiempo, debido al vástago común, la válvula de disco superior es sacada de su asiento. El fluido de la unidad de impulsión atraviesa el paso abierto, luego circula alrededor del vástago, y sale por el puerto de escape a la atmósfera.

Cuando la cámara piloto se presuriza, la fuerza que actúa contra el diafragma fuerza la válvula de disco con movimiento vertical hacia abajo. La válvula de disco superior se cierra contra su asiento, bloqueando el flujo de fluido del cilindro al puerto de descarga. La válvula de disco más baja se abre, y el paso del puerto de entrada de la fuente al puerto del cilindro queda abierto de modo que el fluido pueda desplazarse a la unidad de impulsión.

La válvula en la figura adjunta es una válvula normalmente cerrada. Las válvulas normalmente abiertas son similares en diseño. Cuando no se aplica ninguna presión a la cámara piloto, la válvula de disco con movimiento vertical superior es forzada a salir de su asiento y la válvula de disco con movimiento vertical inferior es cerrada. El fluido queda libre de desplazarse del puerto de entrada a través del cilindro hacia la unidad de impulsión. Cuando la presión piloto es aplicada, las válvulas de disco son forzadas hacia abajo, cerrando la válvula de disco superior y abriendo la válvula de disco más baja. El fluido puede ahora desplazarse desde el cilindro a través de la válvula y ser desalojado hacia la atmósfera.

Fig.: Vista en corte de una válvula tipo de discos con husillo vertical ("poppet"), de control direccional de cuatro vías.

VÁLVULAS DE CUATRO VÍAS

La mayoría de los dispositivos de impulsión requieren de presión de sistema para su operación en cualquier dirección. La válvula de control direccional de cuatro vías, que contiene cuatro puertos, se utiliza para controlar la operación de tales dispositivos. La válvula de cuatro vías también se utiliza en algunos sistemas para controlar la operación de otras válvulas. Es una de las válvulas de control direccional más ampliamente utilizadas en los sistemas de potencia fluida.

La típica válvula de control direccional de cuatro vías tiene cuatro puertos: un puerto de presión, un puerto de retorno o escape, y dos puertos de cilindro o puertos de trabajo. El puerto de presión está conectado con

la línea de presión de sistema principal y la línea de retorno está conectada con el depósito en sistemas hidráulicos. En sistemas neumáticos el puerto de retorno se ventea generalmente a la atmósfera. Los dos puertos de cilindros son conectados mediante líneas con las unidades de impulsión.

Las válvulas de disco con movimiento vertical son accionadas por levas sobre un árbol de levas (ver figura adjunta). El árbol de levas es controlado por el movimiento de la manivela. La válvula puede ser operada manualmente moviendo la manija, o, en algunos casos, la manija se puede conectar por un acoplamiento mecánico a una manija de control que esté situada en un lugar conveniente para el operador a cierta

distancia de la válvula.

El árbol de levas se puede girar a cualquiera de tres posiciones (neutral y dos posiciones de trabajo). En la posición neutral los lóbulos del árbol de levas no entran en contacto con ninguna de las válvulas de disco con movimiento vertical. Esto asegura que los resortes de la válvula de disco con movimiento vertical mantendrán las cuatro válvulas de disco con movimiento vertical asentadas firmemente. Con todas las válvulas de disco con movimiento vertical asentadas, el fluido no atraviesa la válvula. Esto también bloquea los dos puertos de cilindros; por lo tanto cuando la válvula está en posición neutral, el líquido en la unidad de impulsión queda bloqueado. Válvulas de alivio son instaladas en ambas las líneas de trabajo para prevenir la sobrepresurización causada por la expansión térmica.

NOTA: En algunas versiones de este tipo de válvula, se diseñan los lóbulos de la leva de modo que las dos válvulas de disco con movimiento vertical de la retorno/escape estén abiertas cuando la válvula está en la posición neutral. Esto compensa la extensión térmica, porque ambas líneas de trabajo están abiertas al retorno/escape cuando la válvula está en la posición neutral.

Se arreglan las válvulas de disco con movimiento vertical de modo que la rotación del árbol de levas abra la combinación apropiada de válvulas de disco para dirigir el movimiento de fluido a través de la línea de trabajo deseada a una unidad de impulsión. Al mismo tiempo, el fluido será dirigido de la unidad de impulsión a través de la línea de trabajo opuesta, pasando por la válvula, de nuevo al depósito (hidráulico) o con escape a la atmósfera (neumática).

Para parar la rotación del árbol de levas en una posición exacta, un perno de parada se fija al cuerpo y se extiende a través de una sección recortada del reborde del árbol de levas. Este perno de parada previene la sobreactuación, asegurándose de que el árbol de levas pare el girar en el punto donde los lóbulos de la leva han movido a las válvulas de disco con movimiento vertical a su mayor distancia desde sus asientos, y donde cualquier otra rotación más permitiría que las válvulas de disco con comenzaran a volver a sus asientos.

Las juntas tipo anillos (o-rings ) se espacian a intervalos a lo largo de lo largo del eje para prevenir fugas externas alrededor de los extremos del eje y fugas internas de alguno de los compartimientos de válvula a otro. El árbol de levas tiene dos lóbulos, o porciones salientes. La forma de estos lóbulos es tal que cuando el eje se coloca en la posición neutral, los lóbulos no entrarán en contacto con ninguna las válvulas de disco con movimiento vertical.

Fig.: Válvulas de control direccional de cuatro vías, de disco de husillo vertical ( tipo "poppet") en posición de trabajo.

Cuando la manija se mueve en cualquier dirección desde la posición neutral, el árbol de levas es girado. Esto gira los lóbulos, que quitan de su asiento a la válvula de disco con movimiento vertical (poppet) y a una válvula de disco de la retorno/escape de presión (ver figura adjunta ) . La válvula ahora está en su posición de trabajo. El fluido bajo presión, entrando en el puerto de presión, atraviesa los pasos de entrada de líquido/aire verticales en ambos asientos de las válvulas de disco de presión. Puesto que solamente una válvula de disco de presión, IN (2), es quitada de su asiento por el lóbulo de la leva, el fluido pasa la válvula de disco abierta hacia el interior del asiento de la válvula de disco. Desde allí se desplaza a través de los pasos diagonales, hacia fuera a un puerto de cilindro, C2, y a la unidad de impulsión. El líquido de retorno de la unidad de impulsión entra en el otro puerto del cilindro, C1. Luego atraviesa el paso de líquido correspondiente, a través de la válvula de disco con movimiento vertical fuera de su asiento, OUT (1), a través de los pasos de líquido verticales, y hacia fuera al puerto de retorno/escape. Cuando el árbol de levas es rotado en la dirección opuesta a la posición neutral, las dos válvulas de disco con movimiento vertical se ubican en sus asientos y el desplazamiento de fluido se detiene. Cuando el árbol de levas se gira un poco más en esta dirección hasta que los pernos de parada hagan tope, las válvulas de disco con movimiento vertical de presión opuesta y retorno son sacadas de sus asientos. Esto invierte el flujo en las líneas de trabajo, haciendo que la unidad de impulsión se mueva en la dirección opuesta.

Fig. : Válvula de carrete desplazable controlada por una válvula de carrete rotatorio.

 

Fig.: Operación de una válvula de control direccional de cuatro vías de carrete ratatorio.

Válvula rotatoria de carrete ( Rotary spool valve)

Las válvulas de control direccional de cuatro vías de este tipo se utilizan con frecuencia como las válvulas piloto para dirigir flujo hacia y desde otras válvulas (ver figura adjunta abajo). El líquido se dirige a partir desde una fuente de suministro a través de la válvula rotatoria a otra válvula de control direccional, donde posiciona la válvula para dirigir flujo de otra fuente a un lado de una unidad de impulsión. El líquido del otro extremo de la válvula principal atraviesa una línea de retorno, a través de la válvula alternativa hacia el puerto de retorno ( si es hidráulica ) o de escape ( si es neumática ).

Las piezas principales de una válvula de control direccional rotatoria de carrete se muestran en la figura adjunta. La figura muestra la operación de una válvula rotatoria de carrete. Las vistas A y C muestran la válvula en una posición para entregar fluido a otra válvula, mientras que la vista B muestra la válvula en la posición neutral, con todos los pasos a través de la válvula bloqueados. Las válvulas rotatorias de carrete se pueden operar manual, eléctricamente, o por la presión de fluidos.

Fig: Partes de una válvula de control direccional tipo carrete rotatorio.

Válvula de carrete desplazable ( Sliding spool valve )

La válvula de control direccional de cuatro terminales de carrete desplazable es operativamente similar a la válvula de dos vías descrita previamente en esta página. Es simple en su teoría de operación y es el la más durable y libre de problemas de todas las válvulas de control direccional de cuatro terminales.

La válvula descrita en los párrafos siguientes es de un tipo manual. El mismo principio se utiliza en muchas válvulas de control direccional accionadas por control remoto.

 

La válvula (ver figura adjunta) consiste en un bloque de válvula que contiene cuatro puertos de fluido - presión (P), retorno/escape (R), y dos puertos de cilindro (C/1 y C2). Una manga se ubica en el alesaje principal del bloque. Hay juntas anulares (o-rings) colocadas a intervalos alrededor del diámetro exterior de la manga. Estos anillos forman un sello entre la manga y el cuerpo, creando compartimientos estancos alrededor de la manga. Cada uno de los compartimientos se alinea con uno de los puertos de fluido en el cuerpo. El paso

perforado en el cuerpo incluye un quinto compartimiento que resulta de tener los dos compartimientos externos conectados con el puerto de la retorno/escape. La manga tiene un patrón de agujeros perforados a través de la misma para permitir que el fluido se desplace de un puerto al otro. Una serie de agujeros están perforados en la manga de centro hueco en cada compartimiento.

 

Fig.: Operación de una válvula de control direccional de cuatro terminales de carrete desplazable.La manga está asegurada para que no gire mediante un tornillo de retención o un perno que la asegura dentro del bloque de la válvula.

El carrete desplazable va inserto en el centro hueco de la manga. Este carrete es similar al carrete de la válvula de dos vías, salvo que el mismo tiene tres pistones o superficies transversales (lands ). Las superficies transversales se traslapan o se adaptan a máquina al interior de la manga.

Un extremo del carrete de desplazamiento está conectado con una manija, tanto directamente como por acoplamiento mecánico a diferentes localizaciones. Cuando se mueve la manija de control, ésta posicionará el carrete dentro de la manga. Los pistones (lands) del carrete entonces alinean diferentes combinaciones de puertos de fluido, dirigiendo así el desplazamiento del mismo a través de la válvula.

El resorte de retén es un tipo resorte similar a un broche de colgar ropa, asegurado al extremo del cuerpo por un perno de retención del resorte. Las dos piernas del resorte se extienden hacia abajo a través de ranuras en la manga y caben en las muescas. El carrete se agarra entre las dos piernas del resorte. Para mover el carrete, se debe aplicar bastante fuerza para separar las dos piernas del resorte y para permitir que se ubiquen de nuevo dentro de la muesca siguiente, que sería para otra posición

En la figura A adjunta, se ve una válvula de desplazamiento manual de carrete en la posición neutral. El resorte de retén está en la muesca central del carrete de desplazamiento. El pistón del centro se alinea con el puerto de presión (P) que evita que el fluido se desplace en la válvula a través de este puerto. El puerto de la retorno/escape también se bloquea, previniendo que el fluido atraviese ese puerto. Con los puertos de presión y de retorno bloqueados, el fluido en las líneas de impulsión está atrapado. Por esta razón, una válvula de alivio está instalada generalmente en cada línea de impulsión cuando este tipo de válvula es utilizada.

En la figura B adjunta, se ve la válvula en la posición de trabajo con el extremo del carrete de desplazamiento contraído. El resorte de retén está en la muesca externa, trabando el carrete de desplazamiento en esta posición.

Los pistones han cambiado de puesto dentro de la manga, y los puertos están abiertos. El líquido (o aire) bajo presión entra en la manga, pasa a través de la misma por los agujeros perforados, y sale a través del puerto de cilindro C2. El líquido de retorno, fluyendo desde el actuador ingresa al puerto C1, atraviesa la manga, y se dirige hacia fuera por el puerto de retorno de nuevo al depósito (hidráulica) o despresuriza a la atmósfera (neumática). El fluido no puede pasar a través de los pistones del carrete debido su forma de superficies traslapadas o transversales.

En la figura C adjunta, se ve la válvula en la posición de trabajo opuesta, con el carrete de desplazamiento extendido. El resorte de retén está en la muesca interior. El pistón del centro del carrete de desplazamiento está ahora en el otro lado del puerto de presión, y el fluido bajo presión se dirige a través de la manga y saliendo por C1. El fluido que retorna del otro puerto del cilindro se dirige al paso perforado en el cuerpo. El mismo se desplaza a lo largo de este paso al otro extremo de la manga donde es enviado hacia afuera por el puerto retorno/escape.

Fig.: Válvula de control direccional de carrete desplazable de centro abierto

 

Las válvulas de control direccional discutidas previamente son para su uso en sistemas de potencia fluida con posición central cerrada. La figura adjunta muestra la operación de una válvula de control direccional de carrete desplazable representativa de centro abierto.

Cuando este tipo de válvula está en la posición neutral (visión A en la figura), el flujo se desplaza por la válvula a través del puerto de presión (P) a través del carrete hueco, y retorna al depósito.

Cuando el carrete se mueve a la derecha de la posición neutral, vista B, una línea de trabajo (C1) se alinea con la presión de sistema y la otra línea de trabajo (C2) está abierta a través del carrete hueco al puerto de retorno. La vista C demuestra el movimiento de fluido a través de la válvula con el carrete movido a la izquierda de la posición neutral.

 

Hidráulica: Sistemas de potencia fluida.

Un sistema de potencia fluida en el cual el fluido en el sistema permanece presurizado desde la bomba ( o regulador) hasta la válvula de control direccional mientas la bomba está operando es conocido como sistema de centro cerrado. En este tipo de sistema, cualquier número de subsistemas puede ser incorporado, con una válvula de control direccional separada para cada subsistema. Las válvulas de control direccional son dispuestas en paralelo de manera que la presión del sistema actúe en igual forma en todas las válvulas de control.

Otro tipo de sistema que es a veces usado en equipamiento operado hidráulicamente es el sistema de centro abierto. Un sistema de centro abierto tiene desplazamiento de fluido pero no tiene presión interna cuando los mecanismos de accionamiento están parados. La bomba hace circular el fluido desde el reservorio, a través de válvulas de control direccional, y luego nuevamente hacia el reservorio. Ver figura A. En forma similar al sistema de centro cerrado, el sistema de centro abierto puede tener cualquier cantidad de subsistemas, con una válvula de control direccional para cada subsistema. A diferencia del sistema de centro cerrado,  las válvulas de control direccional de un sistema de centro cerrado están siempre conectadas en serie entre sí, una disposición en la cual la línea de presión del sistema pasa a través de cada válvula de control direccional. El fluido tiene siempre libre circulación a través de cada válvula de control y de regreso al reservorio hasta que una de las válvulas de control sea posicionada para operar un mecanismo.

(A)

(B)

Fig. Sistema hidráulico de centro abierto.

Cuando una de las válvulas de control direccional es posicionada para operar un dispositivo actuador, como se muestra en la figura B, el fluido es direccionado desde la bomba a través de una de las líneas de trabajo hacia el actuador. Con la válvula de control en esta posición, un desplazamiento de fluido a través de la válvula hacia el tanque de reservorio es bloqueado. Así, la presión se eleva y mueve el pistón del cilindro actuador. El fluido del otro extremo del actuador retorna hacia la válvula de control a través de la línea de trabajo opuesta y circula retornando al reservorio.

Algunos otros tipos de válvulas de control direccionales son usadas en el sistema de centro abierto. Un tipo es el de acople manual y desacople manual. Luego de que este tipo de válvula es movido a la posición operativa y el mecanismo actuador alcanza el extremo de su ciclo operativo, la salida de la bomba continua hasta que el ajuste de la válvula de alivio del sistema es alcanzado.  La válvula de alivio luego sale de su asiento y permite que el fluido retorne al tanque reservorio. La presión del sistema permanece en el valor ajustado para la válvula de alivio hasta que la válvula direccional es manualmente conmutada de retorno a su posición neutra. Esta acción vuelve a abrir el fluido del centro abierto y permite que la presión del sistema caiga a la presión de resistencia de la línea.

Otro tipo de válvula es la válvula de control direccional acoplada manualmente y desacoplada por presión. Este tipo de válvula es similar a la válvula arriba tratada, sin embargo, cuando el mecanismo actuador alcanza el fin de su ciclo y la presión continua elevándose hasta una presión predeterminada, la válvula automáticamente retorna a la posición neutra y, consecuentemente, al flujo de centro abierto.

Una de las ventajas del sistema de centro abierto es que la presurización continua del sistema es eliminada. Dado que la presión se eleva gradualmente luego de que la válvula de

control direccional es movida hacia una posición operativa, hay muy poco golpe en la línea debido a transitorios. Esto proporciona una operación suave de los mecanismos operativos; sin embargo, la operación es mas lenta que en el sistema de centro cerrado, en el cual la presión está disponible en el momento en que la válvula de control direccional es posicionada. Dado que muchas aplicaciones requieren operación instantánea, los sistemas de centro cerrado son los mas ampliamente usados.

Veamos otros ejemplos de un sistema de centro abierto. En este sistema, un carretel de válvula de control debe ser abierto en el centro para permitir que el flujo de la bomba pase a través de la válvula y retorne al reservorio. La figura siguiente muestra este sistema en posición neutra. Para operar varias funciones simultáneamente, un sistema de centro abierto debe tener las conexiones correctas, que son tratadas a continuación. Un sistema de centro abierto es eficiente en funciones únicas, pero es limitado con las funciones múltiples.

Figura: Sistema de centro abierto

1. Conexión serie. La figura siguiente muestra un sistema de centro abierto con una conexión serie. El aceite desde una bomba es dirigido a las tres válvulas de control en serie. El retorno desde la primera válvula es dirigido a la entrada de la segunda, y así sucesivamente. En posición neutra, el aceite pasa a través de las válvulas en serie y retorna al reservorio, como lo indica la flecha. Cuando una válvula de control es operada, el aceite que ingresa es desviado hacia el cilindro que la válvula sirve. El líquido que retorna desde el cilindro es dirigido a través de la línea de retorno y nuevamente hacia la próxima válvula.

Figura : Sistema de centro abierto con conexión serie.

Este sistema es satisfactorio mientras sólo una válvula sea operada por vez. Cuando esto ocurre, la salida total de la bomba a presión total del sistema está disponible para dicha función. Sin embargo, si mas de una válvula está funcionando, el total de la potencia requerida para cada función no puede exceder el ajuste de alivio del sistema.

2.Conexión serie/paralelo. La figura muestra una variación del tipo de conexión serie. El aceite de la bomba es pasado a través de las válvulas de control en serie, así como en paralelo. Las válvulas son a veces apiladas para permitir un pasaje extra. En posición neutra, un líquido pasa a través de las válvulas en serie, como lo indican las flechas. Sin embargo, cuando cualquier válvula está operando, el retorno es cerrado y el aceite está disponible para todas las válvulas a través de la conexión paralelo.

Figura. Sistema de centro abierto con una conexión serie/paralelo.

Cuando dos o mas válvulas son operadas a la vez, el cilindro que necesita la menor presión funcionará primero, luego el cilindro con la menor siguiente, y así sucesivamente. La habilidad para operar dos o mas válvulas simultáneamente es una ventaja sobre la conexión serie.

3. Divisor de flujo. Las figura siguiente muestra un sistema de centro abierto con un divisor de flujo. Un divisor de flujo toma el volumen de aceite desde una bomba y lo divide entre dos funciones. Por ejemplo, un divisor de flujo puede ser diseñado para abrir el lado izquierdo primero en el caso de que ambas válvulas de control son accionadas simultáneamente. O, el mismo podría dividir el aceite hacia ambos lados, igualmente o por porcentaje. Con este sistema, una bomba debe ser suficientemente grande para operar todas las funciones simultáneamente. El mismo debe además suministrar todo el líquido a presión máxima de la función mas alta, significando que grandes cantidades de caballos de fuerza son gastados al operar sólo una válvula de control.

Figura : Sistema de centro abierto con divisor de flujo

Sistema de centro cerrado. En este sistema, una bomba puede permanecer parada cuando no se requiere aceite para operar la función. Esto significa que una válvula de control está cerrada en el centro, parando el flujo del aceite de la bomba. La figura muestra un sistema de centro cerrado.

Figura : Sistema de centro cerrado. (Referencias : 1- La válvula es conmutada, direccionando el aceite según se muestra; 2- La bomba comienza a bombear mas aceite; 3- La presión del aceite eleva el pistón y la carga; 4- Este aceite retorna al reservorio. )

Para operar varias funciones simultáneamente, un sistema de centro cerrado tiene las siguientes conexiones:

(1) Bomba de desplazamiento fijo y acumulador. La figura muestra un sistema de centro cerrado. En este sistema, una bomba de volumen pequeño pero constante carga un acumulador.

Figura : Bomba de desplazamiento fijo y acumulador.

Cuando un acumulador es cargado a presión total, una válvula de descarga desvía el caudal de la bomba de nuevo hacia el reservorio. Una válvula de retención atrapa el aceite presurizado en el circuito.

Cuando una válvula de control es operada, un acumulador descarga su aceite y acciona un cilindro. A medida que la presión comienza a caer, una válvula de carga direcciona el flujo de la válvula hacia un acumulador para recargar el fluido. Este sistema, usando una bomba de pequeña capacidad, es efectivo cuando el aceite operativo es necesario sólo por un corto período. Sin embargo, cuando la función necesita una cantidad de aceite por períodos mas largos, un sistema acumulador no puede manejarlo a no ser que el acumulador ser muy grande.

(2) Bomba de desplazamiento variable. La figura siguiente muestra un sistema de centro cerrado con una bomba de desplazamiento variable en el modo neutro.

Figura : Bomba de desplazamiento variable.

Al estar en modo neutro, el aceite es bombeado hasta que la presión se eleva a un nivel predeterminado. Una válvula de regulación de presión permite que la bomba se corte a sí misma y mantenga la presión a la válvula. Cuando la válvula de control está operando, el aceite de desviado desde la bomba hacia la parte inferior del cilindro. La caída de presión causada al conectar la línea de presión de la bomba a la parte inferior del cilindro hace que la bomba vuelva a trabajar, bombeando aceite hacia la parte inferior del pistón y elevando la carga.

Cuando la válvula se mueve, la parte superior del cilindro se conecta a la línea de retorno, lo que permite el retorno del aceite que fue forzado desde el pistón a retornar al reservorio o bomba. Cuando la válvula retorna a la posición neutra, el aceite queda atrapado en ambos lados del cilindro, y el pasaje de presión desde la bomba es bloqueado. Luego de esta secuencia, la bomba queda parada. Al mover el carretel hacia la posición inferior se direcciona el fluido hacia la parte superior del pistón, moviendo la carga hacia abajo. El aceite de la parte inferior del pistón es enviado hacia la línea de retorno.

La figura siguiente muestra este sistema cerrado con una bomba de carga, que bombea aceite desde el reservorio hacia la bomba de desplazamiento variable.

Figura : Sistema de centro cerrado con bomba de carga

La bomba de carga suministra sólo el aceite de arranque requerido en un sistema y proporciona algo de presión de entrada para hacer una bomba de desplazamiento variable mas eficiente. El aceite de retorno de todas las funciones del sistema es enviado directamente a la entrada de una bomba de desplazamiento variable.

Debido a que todas las máquinas en la actualidad necesitan mas potencia hidráulica, un sistema de centro cerrado es mas ventajoso. Por ejemplo, en un tractor, el aceite puede ser requerido para dirección de potencia, los frenos de potencia, cilindros remotos, rótulas, cargadores y otro equipo montado. En la mayoría de los casos, cada función requiere una cantidad diferente de aceite. Con un sistema de centro cerrado, la cantidad de aceite para cada función puede ser controlada por la línea o el tamaño de la válvula o abriendo el paso con menor cantidad de producción de calor en comparación con los divisores de flujo necesarios en un sistema de centro abierto comparable. Otras ventajas del sistema de centro cerrado son las siguientes:

El mismo no requiere válvulas de alivio debido a que la bomba simplemente se cierra por si misma cuando la presión de trabajo es alcanzada. Esto evita la producción de calor en los sistemas donde la presión de alivio es frecuentemente alcanzada.

El tamaño de las líneas, válvulas y cilindros puede ser adaptada a los requerimientos operativos de cada función.

Hay flujo de reserva disponible, al usar una bomba mas grande, para asegurar una velocidad hidráulica  total a bajas revoluciones del motor por minuto (rpm). Mas funciones pueden ser servidas.

Es mas eficiente en funciones tales como frenos, que requieren fuerza pero poco movimiento de pistón. Al mantener la válvula abierta, la presión de trabajo es constantemente aplicada al pistón del freno sin pérdida de eficiencia debido a que la bomba ha retornado a su posición estacionaria.

Sistema de accionamiento de potencia hidráulica.

Un ejemplo de sistema de accionamiento de potencia hidráulica es el que ha sido usado en la Armada por muchos años. La prueba de su efectividad es que el mismo ha sido usado para entrenar y elevar cañones de todos los tamaños, desde montaje de cañones de 40 mm hasta torretas de 16 pulgadas. Además de montar cañones y torretas, el accionamiento hidráulico es usado para posicionar lanzaderas de cohetes y lanzaderas de misiles, y para mover y controlar equipamiento tal como cabrestantes, grúas y guinches.

En su forma mas simple, el accionamiento de potencia hidráulico consiste en lo siguiente:

1. Un motor principal, que está fuera de la fuente de alimentación usada para impulsar la bomba hidráulica

2. Una bomba hidráulica de desplazamiento variable3. Un motor hidráulico4. Un método para introducir una señal a la bomba hidráulica para controlar su salida5. Transmisión mecánica, consistente en ejes y engranajes que transmitan la salida del

motor hidráulico al equipamiento que está siendo operado.

Figura: Componentes del tren de potencia hidráulica

Los diferentes tipos de circuitos de accionamiento hidráulico difieren en algunos detalles, tales como tamaño, método de control, etc. Sin embargo, los principios operativos son similares. La unidad usada en la descripción siguiente de los principios operativos fundamentales es representativa de los accionamientos hidráulicos usados para operar un montaje de cañones mellizos de 5”/38.

La figura muestra los componentes básicos del accionamiento de potencia del tren. El motor eléctrico es construido con ejes de transmisión en ambos lados. El eje delantero impulsa la bomba del extremo A a través de una caja de reducción, y el eje trasero mueve las bombas auxiliares a través de una caja de reducción. Las cajas de reducción son instaladas debido a que las bombas son diseñadas para operar a una velocidad mucho menos que la del motor.

La bomba de relleno es una bomba de engranaje recto. Su propósito es rellenar fluido al sistema activo de accionamiento de potencia. El mismo recibe si suministro de fluido desde el reservorio y lo descarga en el extremo B de la placa de válvula. Esta descarga de fluido desde la bomba es mantenida a una presión constante por el accionamiento de una válvula de alivio de presión. (Debido a que la capacidad de la bomba excede la demanda de relleno, la válvula de alivio está continuamente permitiendo que algo de fluido retorne al reservorio.)

La bomba de sumidero  osciladora tiene un doble propósito. La misma bombea pérdidas, que se recolectan en el sumidero del regulador indicador, hacia el tanque de expansión. Además, la misma transmite un efecto pulsante al fluido en el sistema de presión de repuesta. Las oscilaciones en el sistema de respuesta hidráulico ayudan a eliminar la fricción estática de las válvulas, permitiendo que el control hidráulico responda mas rápido.

La bomba de presión de control suministra fluido de alta presión al sistema de control hidráulico, pistones de freno, pistón de bloqueo, y al pistón operativo del embrague manual. La bomba de control de presión es del tipo de desplazamiento fijo, de pistón axial. Una válvula de alivio ajustable es usada para limitar la presión operativa en la salida de la bomba.

Control

Para el propósito de este texto, el control constituye la relación entre el vástago de control de carrera y la caja basculante. El vástago de control de carrera es uno de los ejes de pistón de un cilindro actuador tipo pistón de sobre acción. Este cilindro actuador y sus medios directos de control son identificados como el conjunto de cilindro principal. Es el nexo entre el sistema de seguimiento hidráulico y el sistema de potencia mismo.

Figura. Circuito hidráulico del cilindro principal

En control manual, la caja basculante es posicionada mecánicamente por transmisión de engranajes desde la manivela a través de la unidad de control del extremo A. En control local y automático, la caja basculante, es posicionada por el vástago de control de carrera. Según se muestra en la figura, el extremo extendido del vástago de control esta conectado a la caja basculante. El movimiento del vástago pivoteará la caja basculante de una manera o la otra; lo que, en cambio, controla la salida del extremo A de la transmisión. El otro extremo del vástago está fijado al pistón  principal. El eje mas corto esta fijado al lado opuesto del pistón. Este vástago es además mas chico en diámetro. Así el área de trabajo del lado izquierdo del pistón es dos veces el área del lado derecho, como se ve en la figura.

El fluido de alta presión intermedio (Intermediate high-pressure o IHP) es transmitido al lado izquierdo del pistón, mientras que el fluido hidráulico de alta presión (HPC) es transmitido al lado derecho. El HPC es mantenido constante a 1000 psi. Dado que el área del pistón sobre la que el HPC actúa es exactamente un medio del área sobre la que el IHP actúa, el pistón principal es mantenido en una posición fija cuando el IHP es un medio de HPC (500psi) . En el caso en que el IHP varíe desde su valor normal de 500 psi, el pistón se moverá, moviendo así la caja basculante.

Operación

Considérese que la señal de control del tren derecho es recibida. Esto hará que la válvula piloto sea traccionada hacia arriba. El fluido en la cámara superior del pistón amplificador puede ahora circular a través de la cámara inferior del pistón fino hacia el escape. Esto hará que el pistón amplificador se mueva hacia arriba, y el fluido en la cámara derecha de la válvula de control principal pueda fluir en la cámara inferior de la válvula amplificadora.

La válvula de control principal se moverá ahora hacia la derecha, el HP caerá debajo de los 500 psi, y el pistón de carrera se moverá hacia la izquierda.

El movimiento del pistón de carrera producirá una inclinación en la placa basculante, y el extremo A hará que el montaje se carretee hacia la derecha.

La figura siguiente es un diagrama en bloques simplificado mostrando los elementos principales del sistema de potencia hidráulico bajo control automático,  para rotación horaria y antihoraria.

Figura- Operación del accionamiento hidráulico de potencia. (Referencias: 1- Señal eléctrica desde la computadora directora; 2- Indicador regulador; 3- Respuesta del extremo B; 4- Montaje del cañón; 5- Movimiento horario; 6- Movimiento antihorario; 7- Unidad motor extremo B; 8- Pistón en carrera; 9- Unidad de bomba extremo A; 10- Motor eléctrico; 11- Bomba auxiliar; 12- Reservorio )

Hay dos problemas principales para posicionar un cañón para disparo. Una es obtener una señal precisa de orden de disparo. Este problema es resuelto por la combinación de computadora directora. El otro problema es transmitir la señal directora rápidamente hacia el cañón, de manera que la posición y movimientos del cañón estén sincronizados con las señales directoras.

El problema de transformar las señales de orden de cañón para montar los movimientos es resuelto por el accionamiento de potencia y su control (el indicador regulador). El indicador

regulador controla el accionamiento de potencia, y éste, en cambio, controla el movimiento del cañón.

El indicador regulador recibe una orden de cañón eléctrica inicial desde la computadora directora, la compara con la posición de montaje existente, y envía una señal de error al mecanismo hidráulico de control en el regulador. El mecanismo de control hidráulico controla el flujo hacia el vástago de control de carrera, que posiciona la caja basculante en el extremo A de la transmisión. Sus inclinaciones controlan el volumen y dirección del fluido bombeado hacia el extremo B y, por lo tanto, la velocidad y dirección del vástago impulsor del extremo B. A través de transmisiones mecánicas, el vástago de salida del extremo B mueve el cañón en la dirección determinada por la señal. Al mismo tiempo, la respuesta del extremo B es transmitida hacia el indicador regulador y continuamente se combina con las señales de cañón entrantes para dar el error entre ambos. Este error es modificado hidráulicamente, de acuerdo con el sistema de transmisiones mecánicas y válvulas en el regulador. Cuando el cañón se atrasa a la señal, su movimiento es acelerado; y cuando comienza a acercarse a la posición, su movimiento es desacelerado de manera que el mismo no se sobrepase en exceso.

Veremos a continuación una serie de conceptos elementales necesarios para el conocimiento del transporte de cargas eléctricas en conductores y sus aplicaciones en la electrotecnia de uso industrial , destinado a estudiantes y operarios de la industria . Considerando los conceptos básicos sobre la composición íntima de la materia , se admite la existencia de corpúsculos constituyendo el átomo; las dos clases de corpúsculos representan las cargas positivas y negativas de electricidad. Donde los corpúsculos positivos están ubicados en la región central del átomo, adosados al núcleo o neutrón; por cuyo motivo es muy difícil sacarlos de su lugar . Se ha llegado a liberar protones mediante complicados experimentos físicos, de modo. que en la técnica carece de importancia el estudio del movimiento de los mismos.

Los corpúsculos negativos o electrones, en cambio, son de más fácil liberación, debido a su ubicación periférica en el átomo , por lo menos algunos de ellos (los móviles).

En esta forma podemos describir que los procesos de electrización de un cuerpo, diciendo que consiste en la adición o sustracción de electrones móviles a los átomos del mismo. Si se resta un cierto número de electrones, queda en los átomos excesos 'de cargas' positivas y el cuerpo estará electrizado positivamente. Viceversa , si se le agregan electrones, quedará con carga eléctrica negativa .  

Vamos a tratar a continuación del movimiento de la carga de un conductor cuando se mantiene un campo eléctrico dentro del mismo . Este movimiento constituye una corriente

Un conductor es un cuerpo en cuyo interior hay

 

Tablas de conversión de unidades para aplicaciones industriales .

Propiedades de los dieléctricos , fórmulas , el condensador . Unidades internacionales, resistividad , cuerpos aisladores ,

resistencia de contacto , agrupamiento de resistencias

Resistencia eléctrica específica y conductancia para conductores a 20°C Resistencia eléctrica específica de aislantes Coeficientes de temperatura eléctricos a 20°C Constante dieléctrica Serie de tensión electroquímica.

Technical English - Spanish Vocabulary - Vocabulario técnico Inglés - Español .

Problemas resueltos de electricidad , cálculos básicos. Un poco de historia. Antecedentes de la electricidad.

 

cargas libres que se mueven por la fuerza ejercida sobre ellas por un campo eléctrico .Las cargas libres en un conductor metálico son electrones negativos . Las cargas libres en un electrolito son los iones , positivos o negativos  . Un gas en condiciones adecuadas , como el de un anuncio luminoso de neón o el de una lámpara fluorescente , es también un conductor y sus cargas libres son iones positivos y negativos y electrones negativos .

Hemos visto que cuando un conductor aislado se coloca en un campo eléctrico, las cargas dentro del conductor se reagrupan de modo que el interior del conductor sea una región libre de campo, en toda la cual el potencial es constante. El movimiento de las cargas en el proceso de reagrupación constituye una corriente; pero es de corta duración y se denomina corriente transitoria. Si deseamos que circule una corriente permanente en un conductor, hemos de mantener continuamente un campo, o un gradiente de potencial dentro de él. Si el campo tiene siempre el mismo sentido, aunque pueda variar de intensidad, la corriente se denomina continua. Si el campo se invierte periódicamente, el flujo de carga se invierte también, y la corriente es alterna.

Todo el proceso de cargar un cuerpo de electricidad consiste pues, en el, movimiento de inmigración o emigración de electrones o cargas eléctricas elementales negativas. La razón de que se haya designado "negativa" la carga eléctrica del electrón y positiva la del ''protón'', es puramente convencional y da origen a una confusión si no se recurre a nuevas convenciones.

En efecto, las cargas eléctricas gozan de cierta movilidad en la masa de los cuerpos que las contienen , movilidad que les permite trasladarse a todas partes de estos. También sabemos que el desplazamiento de cargas eléctricas en los cuerpos está regido por la naturaleza de los mismos, ofreciendo algunos mayor facilidad que otros a ese movimiento. Se dividen así los cuerpos en conductores y aisladores de la electricidad.

Hay cierto número de dispositivos eléctricos que tienen la propiedad de mantener constantemente sus bornes a potenciales diferentes. Los más conocidos son la pila seca, la batería de acumuladores y la dínamo. Si los extremos de un hilo metálico se conectan a los bornes de cualquiera de estos dispositivos, se mantiene un gradiente de potencial, o sea un campo eléctrico, dentro del hilo y habrá un movimiento continuo de carga a través de él. Para concretar, si los extremos de un hilo de cobre, de 1 m de longitud, se conectan a los bornes de una batería de 6 V, se establece y mantiene un gradiente de potencial o campo eléctrico de intensidad 6 V/m ó 6 new/coul.

Para la técnica interesa especialmente el movimiento

de cargas eléctricas en los cuerpos conductores. Estas cargas son negativas, puesto que se trata de electrones liberados, de modo que si suponemos dos puntos de un cuerpo conductor, uno de los cuales está a un cierto potencial positivo y el otro a potencial negativo, los electrones deben dirigirse, por efecto de las fuerzas actuantes, del negativo al positivo. Esto es evidente, puesto que las cargas negativas serán rechazadas del punto de potencial negativo y atraídas por el punto de potencial positivo.

Sin embargo, ya sea porque el estudio de la naturaleza íntima de la materia es más reciente que la mayor parte de la experimentación con electricidad, ya sea porque no se quiere modificar un criterio generalizado hasta tanto no se pueda afirmar rotundamente cuál es la verdadera naturaleza de la electricidad y su relación con la materia, se utiliza una convención que difiere fundamentalmente de las consideraciones precedentes:

Se admite que la circulación de cargas eléctricas se lleva a cabo desde los puntos de potencial positivo a los puntos de potencial negativo. Extendiendo este criterio, diremos que el transporte de cargas se realiza siempre desde el potencial mayor hacia el menor.

Sentado esto, es cuestión de indicar en los circuitos un sentido de circulación de las cargas eléctricas, admitirlo como exacto sin considerar la naturaleza de tales cargas y se comprobará que las leyes generales se cumplen, aunque tal sentido fuera contrario.

Intensidad de corriente eléctrica.

 

Tomemos un cuerpo conductor en el cual se realiza un transporte de cargas eléctricas, debido a que los dos extremos del mismo están unidos a dos puntos de un campo eléctrico que están a distinto potencial Para tener una visión más clara del asunto, imaginemos que el conductor tiene la forma de un alambre metálico, lo que no quita la generalidad de la definición que sigue. El transporte de cargas de un extremo del conductor hacia el otro se realiza con cierta velocidad, de modo que si consideramos una sección cualquiera ubicada en un punto entre los dos extremos, por ella pasará un cierto número de electrones por segundo, o, lo que es lo mismo, una cierta cantidad de electricidad por segundo.

El transporte de cargas en sí , a través del conductor se denomina: "corriente eléctrica”, siendo aplicable tal designación a todos los casos en que una cierta cantidad de electricidad circula por un cuerpo.

La cantidad do electricidad que pasa por el conductor

en un segundo se denomina. " intensidad de corriente eléctrica “ , y está expresada por el cociente entre la cantidad total de cargas que han pasado por el conductor en un cierto tiempo y este tiempo:

Tomando la cantidad de electricidad expresada en la unidad práctica (Coulomb) y el tiempo en segundos, la intensidad de corriente resulta dada en Amperios (A), que es la unidad práctica electrostática, en honor del físico francés André Marie Ampére (1775-1836) , quien introdujo muchos de los conceptos de electricidad y magnetismo . Por definición , cuando a través de una sección de un conductor pasa una cantidad de electricidad de un Culombio durante un segundo, la intensidad de corriente vale un Amperio.

Como se ve, el concepto de corriente eléctrica tiene cierta analogía con el de corriente líquida en una cañería, y el de intensidad de corriente representa el caudal líquido que pasa por el caño en la unidad de tiempo, en dicha analogía. La unidad símil en el caso comparado, sería el litro para la cantidad de líquido y el litro por segundo para la “intensidad de corriente líquida” , correspondiendo al Coulomb y al Amper, respectivamente.

La velocidad con que se realiza el transporte de cargas de un extremo al otro del conductor es enorme, próxima a los 300.000 kilómetros por segundo, que es la velocidad de la luz.  

Bajo la influencia del campo eléctrico  , los electrones libres de un hilo metálico experimentan una fuerza de sentido  opuesto al del campo, y son acelerados en el  en el sentido de esta fuerza . ( Los otros electrones y  los núcleos positivos son también accionados por el campo, pero no son acelerados, por impedirlo las fuerzas de ligadura que mantienen estos electrones unidos al núcleo y los núcleos unidos entre sí formando un sólido) . Los choques con las partículas que quedan fijas en el metal, frenan pronto a los electrones libres o los detienen, después de lo cual vuelven a ser acelerados, y así sucesivamente. Su movimiento es, por tanto, una sucesión de aceleraciones y frenados, pero adquieren cierta velocidad media en sentido  opuesto al

campo, y supondremos que se mueven uniformemente con esta velocidad media. Los electrones libres participan también de la energía térmica del conductor, pero su movimiento de agitación térmica es un movimiento al azar y para nuestro propósito presente puede  no ser tenido en cuenta.

La figura siguiente representa una porción de un hilo metálico en el cual   hay un campo hacia la izquierda y, en consecuencia, un movimiento libres hacia la derecha .

Figura : Movimiento de electrones libres en un hilo metálico .

Ley de Ohm .

Hemos visto que la circulación de cargas eléctricas por los conductores se denomina: corriente eléctrica. Ahora bien en el estudio de las propiedades de la materia , en lo referente a la conducción de la electricidad, se ve que los cuerpos se comportan como buenos o malos conductores, sin llegar a ser absolutamente conductores ni aisladores. Todos ellos presentan una cierta resistencia al pasaje de la corriente eléctrica, que será pequeña en los primeros y mayor en los segundos.

La dificultad que oponen los cuerpos al pasaje de la corriente se denomina: "resistencia eléctrica' , y veremos que ella depende de la naturaleza del cuerpo y de sus dimensiones, pudiéndosela medir por una cierta cantidad.

Es evidente que la intensidad de corriente eléctrica a través de un conductor dependerá de su resistencia, siendo tanto mayor cuanto menor sea ésta

Por otra parte, la circulación de corriente por un conductor se debe a que entre los extremos del mismo hay una cierta diferencia de potencial, puesto que si dichos extremos están unidos a dos puntos del campo eléctrico que están al mismo potencial, no circulará corriente por el conductor. Resulta también evidente que la intensidad de corriente en el conductor será tanto mayor cuanto mayor sea la diferencia de potencial entre sus extremos.

De manera pues, que si un conductor une dos puntos de distinto potencial (ver fig. 25), la intensidad de corriente que recorrerá el mismo será directamente proporcional a la diferencia de potencial entre ambos extremos e inversamente proporcional a la resistencia del conductor. Tal es el enunciado de la Ley de Ohm, y se expresa algebraicamente así:

suponiendo que V1 es mayor que V2, en cuyo caso la corriente se dirigirá de izquierda. a derecha, en la figura citada. 

Es común designar a la diferencia de potencial con la letra E y llamarla simplemente: "tensión" entre los extremos del conductor, con lo que la expresión anterior queda reducida a :

en la que las cantidades que intervienen se toman expresadas por las unidades prácticas respectivas, que son: la tensión o diferencia de potencial E, en Voltios ; la intensidad de corriente I en Amperios y la resistencia eléctrica R , en Ohm o Ohmios . Se abrevian V , A y Ω , respectivamente.

De lo que antecede resulta que un conductor presentará a la corriente eléctrica una resistencia de un Ohmio , cuando por el mismo circula la intensidad de un Amperio , si entre sus extremos hay una diferencia de potencial o tensión de un Voltio .

Por simple trasposición de términos, puede deducirse de la expresión de Ohm , otras dos formas:

que permiten calcular la tensión o la resistencia cuando se conocen las otras dos cantidades .

Unidades internacionales.

Las definiciones de cada una de las tres magnitudes que intervienen en el enunciado de la Ley de Ohm pueden hacerse en base a las otras dos, pero ello implica la aparición de dificultades en cuanto se desea establecer una unidad patrón para mediciones.

Por esta razón, se ha fijado en un Congreso Internacional reunido en Londres en 1908, a dos de esas magnitudes, con lo que la tercera queda especificada terminantemente. Así, tenemos estipulado el patrón de intensidad y de resistencia unitarias, que son los siguientes:

Una corriente tiene una intensidad de un Amper, cuando pasando por una solución acuosa de nitrato de plata deposita 0,001118 gramos de plata por segundo.

Un Ohm es la resistencia que presenta al paso de la corriente una columna de mercurio de 106,3 centímetros de longitud y masa de 14,4521 gramos (equivale a una sección transversal de 1 mm2) , si se halla a la temperatura de 0 °C y a la presión atmosférica normal.

Las dos unidades patrón precedentes permiten definir el Voltio internacional, como la diferencia de potencial que hay entre los extremos de un conductor que presenta una resistencia de un Ohm, cuando pasa por él la intensidad de un Amperio .

Resistencia eléctrica.

Hemos definido a la resistencia eléctrica en forma un tanto abstracta, diciendo que era la mayor o menor dificultad que presentan los cuerpos al pasaje de la corriente eléctrica. Dijimos también que la resistencia dependía de la naturaleza del cuerpo y de sus dimensiones.

Para obtener la resistencia expresada por una cierta cantidad, hay que fijar un coeficiente que indique la característica conductiva del cuerpo y afectarlo luego de las dimensiones geométricas encontradas por simple medición.

El procedimiento es de carácter comparativo, pues se toma un trozo de cada sustancia y se mide la resistencia que presenta al paso de la corriente, mediante aplicación de la ley de Ohm o cualquiera de los procedimientos indicados en mediciones. Los trozos de todos los cuerpos considerados deben tener igual dimensión, a fin de que los valores obtenidos formen una serie homogénea.

Como la unidad de medida de longitudes es el centímetro, se piensa inmediatamente que los trozos de cada cuerpo deben tener la forma de un cubo de un centímetro de lado, y éste era, precisamente, el criterio seguido primitivamente. Como los conductores utilizados en la práctica tienen casi siempre la forma. de alambres, se optó posteriormente por tomar como base para las mediciones y referencias un trozo de la sustancia, de un milímetro cuadrado de sección y un metro de longitud, cuyo volumen es también de un centímetro cúbico, igual que antes, pero su resistencia no es la misma que la del cubo de un

cm. de lado, como veremos enseguida.

Para tomar una base de referencia de todas las substancias se mide la resistencia eléctrica que presenta un trozo de las mismas, de un metro de largo y un milímetro cuadrado de sección transversal, y a ese valor se lo llama: "resistencia específica", o, simplemente, "resistividad", designándola con la letra griega ρ.

Tomemos ahora un conductor cuyas dimensiones sean cualesquiera (ver fig. 26), es decir, de longitud l y sección transversal s .

 

 

 Es lógico, que cuanto mayor sección presente el conductor, más fácilmente conducirá la corriente eléctrica, y que cuanto más largo sea, mayor será la resistencia que ofrece al pasaje de aquella. La resistencia de un conductor será, pues, directamente proporcional a la longitud e inversamente proporcional a la sección transversal.

Tenemos, entonces, que si un conductor de un metro de largo y un milímetro cuadrado de sección tiene una resistencia eléctrica igual a la resistividad de dicha sustancia, un conductor de ese mismo material, pero de longitud 1 y sección s , tendrá una resistencia l veces mayor y s veces menor. Luego, la resistencia se puede calcular con la expresión:

Como la resistividad o resistencia específica la hemos referido a un trozo de un metro de largo y un milímetro cuadrado de sección, en la fórmula anterior debemos tomar la longitud del conductor en metros y su sección transversal en milímetros cuadrados. La dimensión de la resistividad resulta así de Ohm . mm2/m .

La resistividad de las substancias más usadas en las aplicaciones técnicas se encuentra en tablas. o en caso contrario, se la mide tomando un trozo de ese material de las dimensiones que se especifican más arriba y determinando su resistencia, que es, precisamente, la resistividad. En la tabla siguiente damos los valores de ρ para algunos cuerpos conocidos. Hacemos notar que, como se verá más adelante, la resistencia de los cuerpos varía con la temperatura, de manera que hay que referirla a una base convenida de antemano. Los valores de la tabla se refieren a 15 °C . Sustancia Resistivid

ad Sustancia Resistividad

Acero 0,1- 0,25 Manganina 0,42 Aluminio 0,026 Mercurio 0,95 Bronce 0,13- 0,29 Níquel 0,12 Carbón de arco

0,6 Niquelina 0,4

Cobre 0,0175 Nicromo 1,2 Constantán 0,5 Plata 0,016 Estaño 0,12 Plomo 0,21 Fundición 1,1 Rheotán 0,05 Hierro 0,1- 0,14 Tungsteno 0,06 Maillechort 0,45- 0,5 Zinc 0,06

La resistividad que figura en la tabla está dada en Ohm x mm2/m, qué es la unidad más usual actualmente. Se encuentran aún algunas tablas que la dan de acuerdo con el procedimiento antiguo es decir, tomando un cubo de un centímetro de lado de la sustancia. Es evidente que la resistividad esa forma resulta 10.000 veces menor , puesto que la longitud se reduce 100 veces y la sección aumenta también 100 veces .

Para no tener cifras tan pequeñas se tomaba una unidad de resistencia mucho menor que el Ohm , su millonésima parte el micro-Ohm . En tal forma la resistividad de la sustancia se refería al clásico cubito, pero tomando la. resistencia en micro- Ohms .

Veamos cual es la equivalencia para pasar de esas cifras a los valores modernos de la resistividad .La resistencia del cubo básico es 10.000 veces menor que la de una alambre de un metro de largo y un milímetro cuadrado de sección , pero como se la toma en micro-Ohms , la cifra de resistividad resulta, en definitiva, 100 veces mayor. Así, para el cobre, por ejemplo, se encontraba en tales tablas, un valor de 1,75 micro- Ohms cm. Para expresar una resistividad dada en micro-Ohms cm, en la forma actual, Ohm mm2 /m basta dividir esos valores por 100. En el ejemplo del cobre, dividiendo 1,75 por 100 resulta 0,0175 , que es el valor dado en nuestra tabla.  

Figura : La FEM (Fuerza electro motriz ) de la fuente es igual a las caídas de potencial en circuito externo .

Resistencia de cuerpos aisladores.

En el estudio de las propiedades de la materia para conducir la electricidad, clasificamos a los cuerpos en buenos y malos conductores . Luego, como la propiedad de conducción no es absoluta, dijimos que todos ellos presentaban una cierta resistencia al paso de la corriente, y que había cuerpos (los conductores) que tenían una resistencia baja y otros (los aisladores), por el contrario, presentaban una resistencia elevada.

En la práctica común, al determinar la resistencia de los materiales utilizados para conducir o aislar la electricidad, resultaría engorroso tomar siempre la misma unidad de resistencia , pues mientras para algunos se tendrían algunas unidades de Ohms para otros resultarán varios millones. Por tal motivo, es común adoptar para los aisladores un múltiplo del Ohm , el Megohm , que es un millón de veces mayor:

1 Megohm = 1.000.000 Ohm

con lo que se facilita el manejo de las cifras que hubieran resultado muy grandes.

Ahora tenemos que hacer una aclaración, pues en el caso de los conductores, se tenían siempre o , casi siempre formas alámbricas, que justificaban las consideraciones hechas para la unidad de la resistividad, tomándose trozos de un metro de largo y un milímetro cuadrado de sección.

Los aisladores se emplean en otra forma, y rara vez son de gran dimensión longitudinal y reducida transversal. Por este motivo, para estos cuerpos se vuelve al criterio de tomar un cubo de un centímetro de lado, pero tomando la resistencia eléctrica del mismo en Megohm.

Así, por ejemplo la resistividad del mármol, se determina midiendo la resistencia que presenta un trozo del mismo, de forma cúbica, con un centímetro de lado, y tomando esa resistencia en Megohm . Resulta una cifra de 1000 Megohm cm .

Resulta de utilidad conocer la resistividad de aisladores, por lo menos de los mas usuales en la industria eléctrica, por lo que damos una tabla con las características de los más conocidos.

 

Sustancia Resistividad (MΩ . cm)

Sustancia Resistividad (MΩ . cm)

Bakelita 2 x 105 Mármol 1 x 103 Celuloide 2 X 104 Mica 2 X 1011 Cera amarilla 2 X 109 Micanita 1 x 107 Cuarzo 5 x 1012 Parafina 5 x 1012 Ebonita 1 X1012 Pizarra 1 x 102 Fibra 5 x 103 Porcelana esmaltada 5 x 1012 Goma laca 1 x l010 Porcelana no

esmaltada 3 x 108

La resistividad dada en la tabla se refiere a las óptimas condiciones, es decir, cuando las substancias están completamente secas y el aire también, pues algunas

absorben humedad del ambiente. Es común considerar dos resistividades, la total y la superficial. Esta última resulta de valores mucho menores.

Resistencia de contacto.

En la práctica de la utilización de la energía eléctrica se presenta frecuentemente el caso de unir entre sí dos o más cuerpos conductores. Ello se hace por simple presión, juntando las dos superficies y apretándolas con una pieza especial (tornillo, etc.), o por soldado, interponiendo una sustancia blanda en estado líquido, que al solidificarse efectúa una unión perfecta.

En el primer caso, es decir la unión por presión, la superficie en contacto no es igual a la superficie que presenta el cuerpo en ese lugar, pues sabemos que la materia no tiene estructura continua, sino que tiene espacios vacíos, intermoleculares. Si se toman dos caras planas de dos trozos de metal, y se las aproxima una a la otra, el pasaje de corriente se hace por los puntos de contacto y no por los espacios vacíos. La sección de pasaje no es igual a la superficie de la cara enfrentada de los dos trozos, y todo pasa como si se tratara de una sección llena menor.

Esta circunstancia ha movido a considerar una cierta resistencia de contacto, que tiene en cuenta la reducción de sección, de modo que se supone llena a la sección y se reemplaza el efecto producido, por una resistencia intercalada en el punto de unión, que se llama resistencia de contacto.

Es lógico que la resistencia de contacto obra oponiéndose al pasaje de la corriente, aumentando la resistencia eléctrica propia de los conductores que intervienen. Por tal motivo se trata siempre de reducirla a valores mínimos. Para ello se aumenta en lo posible la presión que obra sobre los cuerpos unidos, a fin de aumentar la sección de pasaje, o, como se dijo al principio, se utiliza un metal fundido, que llena los espacios vacíos y reduce la resistencia de contacto a valores despreciables. Esto es lo que se denomina : soldadura, y se emplea para tal fin el estaño, el plomo, o una mezcla de ambos, etc. Al solidificarse dicha sustancia quedan unidas rígidamente las dos piezas y el pasaje de la corriente eléctrica se realiza sin dificultad. Es obvio que el material de soldadura debe ser buen conductor de la electricidad.

Hay casos en que la resistencia de contacto toma valores apreciables, y es el de los contactos móviles, como el de las escobillas de las máquinas eléctricas que rozan sobre la superficie metálica que tiene un movimiento de rotación. Para disminuir la resistencia se aumenta la presión que ejercen las escobillas sobre el metal y se mantienen limpias las dos caras que rozan entre sí.

Agrupamiento de resistencias

Un grupo de resistencias eléctricas puede estar conectado en diversas formas. Si la corriente eléctrica las recorre a todas en forma sucesiva , es decir, pasa primero por una, después por la que sigue y así sucesivamente, se dice que están acopladas en serie. Si, en cambio, la corriente. las recorre a todas las resistencias conjuntamente, es decir, al mismo tiempo, se dice que están acopladas en paralelo. Hay casos mixtos, que forman grupos en serie y grupos en paralelo.

Agrupamiento en serie . Sean varias resistencias conectadas entre sí como lo indica la figura 27. La corriente recorre primero la R1 , después la R2 y así sucesivamente. Luego están conectadas en serie.

La dificultad que oponen al paso de la corriente es mayor que si sólo estuviera la primer resistencia, o cualquiera de ellas solamente. Es como si al conductor de la figura 26 le aumentáramos la longitud con lo que su resistencia aumentaría en la misma proporción.

Si suponemos varios trozos de conductor, de igual sección y resistividad, conectados en serie, la resistencia del conjunto sería igual a la de otro conductor del mismo tipo, pero cuya longitud fuera la suma de los largos parciales, pues podemos imaginar que no está cortado, ya que unimos en serie todos los tramos.

En general, las resistencias conectadas en serie suman, sus efectos de oposición al paso de la corriente, por lo que el conjunto de resistencias equivale a una sola, cuyo valor es la suma de todas las que estén conectadas en serie. Es decir, que la resistencia total que se opone al pasaje de la corriente es:

R = RI + R2 + R3 ....

donde con los puntos suspensivos indicamos que se seguirían sumando todos los valores de las resistencias que aparezcan conectadas en serie, si hubiera más de tres. Todos los valores de las resistencias deben tomarse en Ohm (Ω ) .

Supongamos un caso particular interesante. Sean iguales todas las resistencias conectadas en serie y haya un número n de las mismas. La resistencia total sería igual al valor de una, que llamaremos Ri. sumada n veces, es decir, que es igual a:

R=Ri . n

Agrupamiento en paralelo : Supongamos que se tengan varias resistencias conectadas entre sí como lo indica la figura 28.

La corriente I llega al punto A, y se reparte en las tres ramas, volviendo a unirse en el punto B. Luego recorre a todas las resistencias al mismo tiempo y éstas estarán acopladas en paralelo.

Ahora bien, todos los electrones que llegan al punto A, deben seguir su camino, y se bifurcan en las tres ramas, para unirse nuevamente en B. En A no pueden acumularse electrones de manera que la cantidad que llega a A por segundo es igual a la intensidad I, la suma de las cantidades que salen de A para todas las ramas, en un segundo debe ser igual a I. Esto equivale a decir que la suma de las corrientes de las tres ramas es igual al:

La diferencia de potencial entre los extremos del circuito tiene un valor E. Es evidente que la intensidad de corriente en la rama superior estará dada por la ley

de Ohm, es decir, será igual a la diferencia de potencial aplicada a los extremos de la resistencia, dividida por el valor de dicha resistencia, es decir:

y lo mismo podernos decir para las otras ramas del circuito, es decir, que las intensidades en ellas serán iguales a la tensión entre sus extremos, dividida por el valor de cada resistencia:

Pero sabemos que la suma de las intensidades de todas las ramas es igual a la intensidad total I, de modo que se tiene:

El conjunto de resistencias en paralelo puede ser reemplazada por una sola, de valor R, que colocada entre los puntos A y B, deje pasar la intensidad de corriente I, bajo la tensión E entre esos puntos . El valor de esta resistencia será el cociente entre E e I, de acuerdo con la ley de Ohm , de modo que la última expresión se puede escribir así:

y si se elimina E, por estar en todos los términos, queda:

 

Es decir, que la inversa de la resistencia equivalente al conjunto de resistencias conectadas en paralelo, es igual a la suma de las inversas de los valores de esas resistencias.

La expresión obtenida admite algunas simplificaciones si se contemplan casos particulares. Supongamos, por ejemplo, que todas las resistencias conectadas en paralelo sean iguales, es decir, que se tengan n resistencias iguales, de valor r, conectadas en paralelo. La expresión dada queda reducida a:

es decir, que el valor de la resistencia equivalente al conjunto será:

Otro caso particular es el de dos resistencias únicamente, conectadas en paralelo, que permite simplificar la fórmula general. En efecto, tomando de ella solo los dos primeros términos del segundo miembro, y resolviendo por álgebra, queda:

es decir, que la resistencia equivalente a dos resistencias conectadas en paralelo, se calcula con el cociente del producto de ellas sobre la suma.

De la observación de las fórmulas obtenidas, salta a la vista que el valor de la resistencia equivalente al conjunto conectado en paralelo, será siempre menor que la menor de todas las resistencias que intervienen. lo que es lógico, puesto que cuanto más ramas se ofrezcan al paso de la corriente, menor será la resistencia que presenta el conjunto. Si las resistencias son iguales, la resistencia equivalente es tantas veces menor como número de ellas se conecte en paralelo, es decir que si se trata de dos resistencias, la equivalente será igual a la mitad del valor de cualquiera de las mismas, si son tres, la tercera parte, etc.

En el acoplamiento en serie, en cambio, la resistencia del circuito aumentaba a medida que se agregaban resistencias, pues se presentaba mayor dificultad al paso de la corriente.

Acoplamiento mixto : En la práctica se presentan circuitos con varias resistencias conectadas en grupos, formando series y paralelos. La figura 29 presenta un ejemplo simple, pudiendo verse que las dos resistencias R2 y R3 están conectadas en paralelo y, a su vez, el grupo formado por ellas, está en serie con. R1.

Todos los circuitos que se presentan en tal forma se denominan : de acoplamiento mixto, y se resuelven por partes, obteniendo primero la resistencia equivalente de los grupos en paralelo o la total de los grupos en serie y tratando luego a los grupos como si fueran resistencias únicas.

Así, en el caso de la figura 29, el grupo formado por R2 y R3 equivale a una sola resistencia, cuyo valor se obtiene haciendo el cociente entre el producto de ellas dividido por su suma. Esa resistencia equivalente está en serie con R1, por lo que su valor debe sumarse con esta última. Y así los demás casos, que, como se puede imaginar, son tan variados que no se pueden sentar normas particulares para su resolución ..

 Campo eléctrico - Condensadores

Si cortamos un cable y separamos sus dos extremos una distancia de un centímetro, necesitaremos 10.000 voltios para que los electrones puedan saltar entre estos extremos a través del aire (en condiciones normales). Si somos capaces de montar, a una distancia lo suficientemente grande para impedir que estos electrones salten, dos conductores metálicos con tensión, se habrá construido un condensador. Si en vez de los terminales del conductor, soldamos a los extremos de los mismos unas placas metálicas, obtendremos una mayor superficie para acumular cargas eléctricas, es decir, se habrá aumentado la capacidad del condensador; aparte, cuanto mayores sean estas placas más electrones cabrán en su interior. Otra forma de aumentar la capacidad consiste en separar una distancia mayor las placas, siempre considerando que para 10 000 V es necesaria una distancia mínima de 1cm. Lo que ocurre es que si separamos demasiado las placas, la diferencia de potencial entre ellas decrece, disminuyedo la cantidad de cargas acumuladas.

Se impone, pues, una solución de compromiso, ya que a mayor distancia menor riesgo de saltar la chispa entre las placas (mayor acumulación de cargas), pero por el contrario, si seguimos aumentando la distancia, la diferencia de potencial irá decreciendo entre las placas, disminuyendo la fuerza de atracción entre las cargas y por tanto, disminuyendo su capacidad de acumulación. Para cada condensador se deben de estudiar las condiciones geométricas: tamaño y distancia de separación de placas, para obtener los resultados más satisfactorios.

Una forma de aumentar la capacidad, consiste en introducir un dieléctrico (material aislante), entre las placas del condensador; así sin aumentar la separación entre ellas, aumenta la capacidad de carga, ya que a los electrones les resulta más difícil atravesar la separación entre placas. Además este método cuenta con la ventaja adicional de que, al no aumentarse la distancia, la diferencia de potencial permanece prácticamente invariable.

Fig.: Condensador plano con su correspondiente dieléctrico

Sabemos que en el átomo hay corpúsculos elementales de electricidad de distintos signos, y que entre ellos se originan fuerzas de atracción, puesto que los electrones móviles se mantienen en su órbita sin ser despedidos por la fuerza centrífuga. Tales fuerzas se originan siempre entre cargas eléctricas, sean de igual o de distinto signo, por el solo hecho de estar ubicadas en una misma zona del espacio. Si tenemos dos átomos electrizados, por ejemplo, entre ellos se producirá una fuerza de atracción o de repulsión, según tengan carga de distinto o igual signo, respectivamente. Puntualizando:

Cargas eléctricas de igual signo se repelen. Cargas eléctricas de distinto signo se atraen.

Si colocamos entonces dos cargas eléctricas del mismo signo en una misma zona del espacio, y no hay nada que les impida el movimiento, la fuerza de repulsión las impulsará a alejarse una de otra y viceversa, se acercarán si sus cargas son de signo, contrario. La magnitud de la fuerza actuante está perfectamente determinada por la siguiente ley:

Ley de Coulomb.

Entre dos cargas eléctricas Q y Q', colocadas a una distancia r una de la otra, se ejerce una fuerza directamente proporcional al producto de las cargas inversamente proporcional al cuadrado de la distancia:

Expresión que la magnitud de la fuerza en dinas, si se toma para las cargas la unidad electrostática, que era de 2,1 X 1010 electrones, y la distancia en cm. El sentida de la fuerza, es decir, la determinación de si será atractiva o repulsiva, resulta de asignar signo a las cargas; suponiendo positivas o negativas a las dos, la fuerza debe ser de repulsión, de modo que cuando la expresión anterior resulta de signo positivo la fuerza es repulsiva y cuando resulta con signo negativo, es decir cuando una de las cargas tiene signo negativo y la otra positivo, la fuerza es de atracción. Es común colocarle a la expresión de Coulomb un doble signo para resaltar la influencia que tiene la polaridad de las cargas en la fuerza resultante.

Campo de fuerzas.

Desde el momento en que en una región del espacio se coloca una carga eléctrica, se originan fuerzas sobre todas las masas de esa región. Teóricamente, la zona de influencia de una carga se extiende hasta el infinito, pero prácticamente, como la fuerza que se puede ejercer sobre otra disminuye con el cuadrado de la distancia, la zona se limita a un entorno de dicha carga. Toda la región del espacio en la que se manifiestan los efectos de la carga eléctrica se llama "campo de fuerzas” y, especificando el origen de las mismas, "campo eléctrico". Resulta de esto que si en un campo eléctrico se coloca una pequeña carga, sobre ella actuará una fuerza cuya dirección será la recta que la une con la carga que origina el campo (ver figura siguiente ),

su sentido será el que tiende a acercar o alejar esas dos cargas, según los signos, y la magnitud estará dada por la ley de Coulomb.

Por esta razón se puede admitir que las fuerzas de un campo producido por una esfera electrizada positivamente, por ejemplo, son de dirección coincidente con los radios de la esfera, salen de ella y sus magnitudes van decreciendo con el cuadrado de la distancia a medida que se suponen puntos más y más alejados. De idéntica manera se admite que las fuerzas en un campo producido por una esfera electrizada negativamente, convergen a ella con direcciones radiales.

Líneas de fuerza

Imaginemos una carga eléctrica colocada en una región del espacio. A su alrededor ubicamos una cantidad de pequeñas cargas libres, es decir, susceptibles de moverse impulsadas por las fuerzas del campo eléctrico. Sean esas pequeñas cargas de igual signo que la principal qué produce el campo. Se originarán fuerzas de repulsión y todas las cargas serán repelidas en dirección de las fuerzas del campo, que dijimos eran radiales. Las trayectorias seguidas por esas cargas se llaman “líneas de fuerza" y,

 

>> Siguiente >>

Tablas de conversión de unidades para aplicaciones industriales .

de acuerdo con la convención anterior, serán salientes de las cargas positivas y entrantes en las negativas. Hay que resaltar que lo de saliente y entrante sólo se refiere al sentido de las fuerzas y no al hecho que penetren en las cargas, pues sólo se conciben fuerzas en el exterior de estas. De acuerdo con lo que antecede, un campo eléctrico puede imaginarse representado por una serie de líneas de fuerza, que salen de una carga positiva, llegan a una negativa, o, más propiamente, se dirigen de una carga positiva hacia una negativa. La magnitud de la fuerza en cada punto está dado por la ley de Coulomb.

Intensidad de campo.

Por definición, la intensidad del campo eléctrico en un punto determinado de él, es la fuerza que actúa sobre la unidad de carga o de cantidad de electricidad colocada en ese punto. Es decir, que si colocarnos en un punto cualquiera del campo la unidad de carga eléctrica, sobre ella actuará una fuerza que representa precisamente la intensidad del campo en ese punto. Si en la figura 2 hacemos la carga Q'= 1, y aplicamos la ley de Coulomb, resulta la intensidad de campo dada por:

es decir que la intensidad de campo, H, en un punto que dista r de una carga eléctrica Q, está dada por el cociente entre el valor de la carga y el cuadrado de la distancia entre el punto y la carga.

De manera pues, que si consideramos el campo eléctrico producido por una carga, se ve que la intensidad del mismo decrece rápidamente a medida que nos alejamos de ella, y precisamente con el cuadrado de la distancia. La definición de intensidad de campo nos permite expresar la fuerza actuante sobre una carga cualquiera, de otra manera. En efecto, si en la ley de Coulomb sustituimos el cociente:

Q/r2 por su equivalente H

se tiene que sobre una carga Q' cualquiera, ubicada dentro de un campo, en un punto en el que la intensidad vale H, actuará,, una fuerza de valor:

F=HQ'

puesto que H es la fuerza que actúa sobre la carga unitaria, de modo que sobre una carga Q', actuará una fuerza Q' veces mayor.

Influencia de la materia contenida en el campo eléctrico.

Hasta aquí hemos supuesto que en la zona ocupada por el campo eléctrico no había sustancia alguna. Es fácil advertir que tales condiciones no son fáciles de conseguir, en la experimentación, de manera que hay que considerar el efecto que produce la presencia de aquella en el campo eléctrico. Por de pronto, a la materia o sustancia que ocupa el campo eléctrico se la denomina: "dieléctrico" y dentro de ella actúan las fuerzas del campo. Todo dieléctrico, se caracteriza por ser, más o menos permeable a las fuerzas del campo, comparándolo con el vacío o ausencia de materia en el, cual hemos supuesto antes que se producía el campo

Propiedades de los dieléctricos , fórmulas , el condensador .

Unidades internacionales, resistividad , cuerpos aisladores , resistencia de contacto , agrupamiento de resistencias

.

Resistencia eléctrica específica y conductancia para conductores a 20°C Resistencia eléctrica específica de aislantes Coeficientes de temperatura eléctricos a 20°C Constante dieléctrica Serie de tensión electroquímica.

Problemas resueltos de electricidad , cálculos básicos.

 

 

eléctrico. No se debe confundir la permeabilidad de la sustancia a las fuerzas del campo, con la conductibilidad eléctrica de la misma, pues esto último se refiere a la mayor o menor facilidad con que deja circular las cargas y no a las fuerzas que obran sobre las mismas. Los cuerpos buenos conductores de la electricidad son poco permeables a las fuerzas del campo, y viceversa los aisladores son mas permeables . Esta regla es general, y no significa que las dos propiedades estén ligadas en forma alguna, pues no siempre los mejores aisladores son, a su vez, los mejores dieléctricos. Los metales, por ejemplo , son impermeables a las fuerzas del campo, lo que explica su utilización como "blindajes" electrostáticos, para encerrar un campo eléctrico en una región determinada e impedir su influencia en zonas vecinas.

Constante dieléctrica

La permeabilidad de la materia a las fuerzas del campo se mide por un número, tomando el vacío como, referencia o base de comparación. Así, el número de veces que una sustancia es más permeable que el vacío a las fuerzas del campo, se llama permeabilidad dieléctrica, constante dieléctrica, o, simplemente: poder inductor específico. Se la expresa con la letra ε. A título informativo, damos la constante dieléctrica de algunas substancias, referidas al vacío, o, más generalmente, al aire, puesto que si éste está seco se comporta prácticamente igual que aquél, en lo que respecta a su permeabilidad dieléctrica.

Cargas inducidas.-Cuando un cuerpo descargado de cualquier clase, conductor o dieléctrico, se coloca dentro de un campo eléctrico, se produce siempre una redistribución de las cargas del cuerpo. Si el cuerpo es conductor, los electrones libres situados dentro de él se mueven de modo que en el interior del conductor el campo se anule y constituya un volumen equipotencial. Si el cuerpo no es conductor, los electrones y los núcleos positivos de cada molécula se desplazan por la acción del campo, pero puesto que no hay cargas libres que puedan moverse indefinidamente, el interior del cuerpo no se convierte en un volumen equipotencial. La carga neta del cuerpo en ambos casos sigue siendo nula (se supone que el conductor está aislado de otros cuerpos de los cuales pudiera recibir carga), pero ciertas regiones del mismo

adquieren un exceso de cargas positivas o negativas, llamadas cargas inducidas. En esta página nos ocuparemos principalmente de los fenómenos producidos en un dieléctrico cuando se encuentra en un campo exterior; pero, a modo de introducción, consideremos en primer lugar la distribución de cargas en un conductor, inicialmente descargado, que tiene forma de lámina, cuando se introduce en el campo creado por dos conductores planos y paralelos que poseen cargas iguales y opuestas. Despreciando la dispersión en los bordes, el campo es uniforme en la región comprendida entre las dos láminas, como indica la Figura 1-A .

 

Figura1 : A - Campo eléctrico entre dos láminas cargadas. B - Introducción de un conductor. C- Cargas Inducidas y su campo. D- Campo resultante cuando un conductor se encuentra entre dos

láminas cargadas.

En la figura B se ha introducido en el campo un conductor descargado, sin tocar a ninguna de las láminas cargadas. Las cargas libres del conductor se reagrupan inmediatamente, tan pronto como el conductor es introducido en el campo; pero supongamos, por el momento, que no lo hacen así; entonces, el campo penetra en el conductor, y bajo la influencia de este campo los electrones libres del conductor se mueven hacia la superficie izquierda, dejando una carga positiva sobre la superficie derecha. Este movimiento continúa hasta que en todos los puntos dentro del conductor el campo creado por las capas superficiales de carga es igual y opuesto al campo inicial. Después, el movimiento de cargas cesa y las cargas que quedan sobre la superficie del conductor se denominan cargas inducidas. La carga neta del conductor continúa siendo nula.

El campo creado por las cargas inducidas está representado por líneas de trazos en la figura C el campo resultante está indicado en la figura D dentro del conductor, el campo es nulo en todas partes. En el espacio comprendido entre el conductor y las láminas el campo es el mismo que antes de introducir el conductor. Todas las líneas de fuerza que se inician sobre la lámina positiva terminan sobre las cargas negativas inducidas en la cara izquierda del conductor. Un número igual de líneas de fuerza, que parten de las cargas positivas inducidas sobre la cara derecha del conductor, terminan sobre las cargas negativas de la otra lámina. Las cargas inducidas en las caras del conductor son iguales y de signo opuesto a las cargas iniciales sobre las láminas, y, en lo que concierne al interior del conductor, neutralizan efectivamente las cargas sobre las láminas. Por consiguiente, el campo en el interior del conductor es nulo.

Figura 2 . (a) Una molécula no polar se convierte en un dipolo inducido al encontrarse en un campo exterior. (b) Una molécula polar o dipolo permanente se orienta en la dirección de un campo

exterior. (e) Moléculas polarizadas de un dieléctrico en un campo exterior, E, dirigido de izquierda a derecha.

Consideremos el comportamiento de un dieléctrico en el mismo campo eléctrico. Para nuestro propósito actual las moléculas de un dieléctrico pueden clasificarse en polares o no polares. Una molécula no polar es aquella en la cual los centros de gravedad de los protones y electrones coinciden, mientras que en una molécula polar no coinciden. Bajo la influencia de un campo eléctrico las cargas de una molécula no polar se desplazan, como indica la Figura 2 (a). Se dice que la molécula se ha polarizado por la acción del campo, y se la denomina dipolo inducido, de momento dipolar igual al producto de una de las cargas por la distancia que las separa. El efecto de un campo eléctrico sobre una molécula polar es orientarla en la dirección del campo, como indica la Figura 2(b). El momento dipolar puede aumentar, así, por el campo eléctrico. Una molécula polar se denomina dipolo permanente.

Cuando una molécula no polar se convierte en polarizada, entran en juego fuerzas recuperadoras sobre las cargas desplazadas. Éstas son las fuerzas de ligadura entre las partículas que mantienen la molécula unida. En parte, al menos, estas fuerzas son de origen eléctrico; pero, cualquiera que sea su origen, podemos considerarlas del mismo tipo que las fuerzas recuperadoras elásticas, que tienden a juntar las partículas desplazadas como si estuvieran unidas por un resorte. Bajo la influencia de un campo exterior dado, las cargas se separan hasta que la fuerza de ligadura es igual y opuesta a la fuerza ejercida sobre las cargas por el campo. Naturalmente, las fuerzas de ligadura varían en magnitud de una clase de molécula a otra, con las correspondientes diferencias en el desplazamiento producido por un campo dado.

 

Figura 3 .-A Campo eléctrico entre dos láminas cargadas. B Introducción de un dieléctrico. C Cargas inducidas sobre la superficie, y campo creado por ellas. D Campo resultante cuando se introduce un dieléctrico entre

láminas cargadas.

Figura 4 .-A Esfera conductora en un campo eléctrico exterior. B El campo debido a las cargas inducidas está representado por las líneas de trazos. C Líneas de fuerza resultantes y superficies equipotenciales de una esfera

conductora en un campo eléctrico.

Si la polarización es inducida o debida a la alineación de dipolos permanentes, la distribución de cargas dentro de las moléculas de un dieléctrico situado en un campo exterior será la representada en la Figura 2(c). Tanto el dieléctrico entero como sus moléculas aisladas, se dice que están polarizados. En el interior de las dos capas superficiales infinitamente delgadas que indican las líneas de trazos, hay un exceso de carga, negativa en una capa y positiva en la otra. Estas capas constituyen las cargas superficiales inducidas. Sin embargo, las cargas no son libres, sino que cada una está ligada a un átomo que se encuentra en la superficie o próximo a ella. Dentro del resto del dieléctrico la carga neta sigue siendo nula. El estado interior de un dieléctrico polarizado se caracteriza, por tanto, no por un exceso de carga, sino por un desplazamiento relativo de las cargas dentro de él.

Las cuatro partes de la Figura 3, que deben compararse atentamente con las de la Figura 1, aclaran el comportamiento de una lámina de dieléctrico cuando se introduce en el campo creado por un par de láminas planas y paralelas que poseen cargas del mismo valor y signo opuesto. La Figura 3-A representa el campo inicial. La Figura 3-B es el estado de cosas existente después de introducir el dieléctrico, pero antes de producirse ninguna redistribución de cargas. La Figura 3-C representa, por líneas de trazos, el campo creado dentro del dieléctrico por sus cargas superficiales inducidas. Como en la Figura 1-C , este campo es opuesto al campo inicial, pero dado que las cargas en el dieléctrico no son libres de moverse indefinidamente, su desplazamiento no continúa hasta un estado tal que el campo inducido iguale en intensidad al campo inicial. El campo dentro del dieléctrico está, por tanto, debilitado, pero no anulado.

El campo resultante está representado en la Figura 3-D . Algunas de las líneas de fuerza que salen de la lámina positiva, penetran en el dieléctrico; otras terminan en las cargas inducidas sobre las caras de este dieléctrico.

Cargas inducidas sobre esferas.-Tiene cierto interés considerar las cargas inducidas sobre un conductor o aislador esférico cuando se introduce en un campo inicialmente uniforme. La esfera conductora se ha representado en la Figura 4. Como en la Figura 1, las cargas libres interiores de la esfera se reagrupan de tal modo que producen un campo nulo en los puntos interiores. El campo de las cargas inducidas está representado por las líneas de trazos de la Figura 4-B, y el campo resultante de este último y del inicial puede verse en la Figura 4-C. Se han representado también las intersecciones con el plano del dibujo de algunas superficies equipotenciales, una de las cuales es la superficie de la esfera. Puesto que las líneas de fuerza y las superficies equipotenciales son perpendiculares entre sí, las líneas de fuerza cortan a la superficie de la esfera formando ángulo recto.

Las mismas leyes físicas se cumplen cualquiera que sea la forma de un conductor, pero las expresiones matemáticas del campo y de la distribución de carga son extraordinariamente complicadas salvo para esferas y elipsoides. Así, si dos esferas conductoras en contacto se colocan en un campo, una de ellas adquiere un exceso de carga positiva, y la otra, un exceso de carga negativa por haberse producido una distribución de cargas tal que ambas esferas quedan al mismo potencial, anulándose el campo dentro de ellas. Si se separan ligeramente cuando todavía están en el campo y después se sacan de él, las cargas inducidas quedan atrapadas sobre las esferas y pueden reconocerse fácilmente con un electroscopio. Véase la Figura 5.

Figura 5.-(a) Esferas conductoras en contacto dentro de un campo. (b) Esferas ligeramente separadas mientras están todavía en el campo. (c) Las esferas quedan cargadas con cargas opuestas cuando se suprime el campo.

En la Figura 6 se representa una esfera dieléctrica colocada en un campo inicialmente uniforme. Como en la Figura 3, las cargas inducidas en la superficie debilitan el campo en la esfera, pero no lo anulan. Existe campo tanto en el interior como en el exterior de la esfera y, por tanto, la superficie de la misma no es equipotencial, y las líneas de fuerza no la cortan perpendicularmente.

Las cargas inducidas sobre la superficie de un dieléctrico esférico en un campo exterior proporcionan una explicación de la atracción de una bolita de medula de saúco o de un trocito de papel descargados, por una varilla de vidrio, o de ebonita, cargada. En la Figura 6, cuando el campo exterior es uniforme, la fuerza resultante sobre la esfera es nula, puesto que las fuerzas sobre las cargas positivas y negativas inducidas son iguales y opuestas. Sin embargo, si el campo no es uniforme, las cargas inducidas están en regiones donde la intensidad del campo eléctrico es diferente y la fuerza que actúa en un sentido no es igual a la que actúa en sentido opuesto.

Figura 6.-Esfera dieléctrica en un campo eléctrico inicialmente uniforme.

   

Figura 7.-Esfera dieléctrica descargada, B, en el campo radial de una carga positiva, A.

La Figura 7 representa una esfera dieléctrica, B, descargada dentro del campo radial creado por una carga positiva, A. Las cargas positivas inducidas sobre B experimentan una fuerza dirigida hacia la derecha, mientras que la fuerza sobre las cargas negativas es hacia la izquierda. Puesto que las cargas negativas están más próximas a A que las positivas y, por consiguiente, en un campo más intenso, la fuerza hacia la izquierda es mayor que la fuerza hacia la derecha, y, aunque su carga neta es cero, B experimenta una fuerza resultante dirigida hacia A. El signo de la carga de A no afecta al resultado, como puede verse fácilmente. Además, el efecto no está limitado a los dieléctricos, pues una esfera conductora sería atraída análogamente.

Razonamientos más generales, basados en consideraciones energéticas, demuestran que un cuerpo dieléctrico colocado en un campo eléctrico, no uniforme, experimenta siempre una fuerza que tiende a moverlo desde una región donde el campo es débil a otra región donde el campo es más intenso, siempre que el coeficiente dieléctrico del cuerpo sea mayor que el del medio que lo rodea. Si el coeficiente dieléctrico es menor, se verifica lo contrario.

Susceptibilidad, coeficiente dieléctrico y capacidad especifica de inducción.

El campo entre un par de láminas que poseen cargas opuestas y las cargas inducidas sobre las superficies de un dieléctrico contiguo a las láminas están representados en la Figura 8. Se supone que el dieléctrico se extiende de una lámina a la otra, pero en el diagrama se ha dejado un pequeño espacio entre sus superficies y las de las láminas, para mayor claridad. Despreciando el efecto de los bordes, la densidad superficial de las cargas inducidas sobre el dieléctrico será uniforme por razón de simetría. Representemos por σi la carga inducida por unidad de superficie del dieléctrico, y por σ, la carga por unidad de superficie de las láminas. La primera se llama frecuentemente carga ligada, y la segunda, carga libre.

 

<< Anterior <<

Tablas de conversión de unidades para aplicaciones industriales .

Propiedades de los dieléctricos ,

 

Las cargas inducidas neutralizan una parte de las cargas libres y reducen la densidad superficial efectiva de σ  a σ-σi. El campo eléctrico resultante dentro del dieléctrico es, por consiguiente,

Ecuación (1)

donde ε0 es una constante que vale : 

considerando 1 culombio = coul = 2,99790 x 109 unidades electrostáticas

Figura 8.-Cargas inducidas sobre las caras de un dieléctrico en un campo exterior.

El término (1/ε0 ) σ  representa la componente del campo resultante debida a las cargas libres localizadas en las láminas. El término (1/ε0 ) σi de sentido contrario, es el creado por las cargas inducidas.

Puesto que las cargas inducidas son originadas por el campo E, su valor dependerá del de E y también del material que forme el dieléctrico. La razón de la densidad de carga inducida σi al a la intensidad E del campo eléctrico resultante se denomina susceptibilidad eléctrica del material y se representa por η .

Susceptibilidad eléctrica   η=σi/E    ,    σi =η E

Cuanto mayor es la susceptibilidad de un material, tanto mayor es la carga inducida en un campo dado. La experiencia demuestra que a temperatura constante y, en campos que no son demasiado grandes, la susceptibilidad de un material dado es constante e independiente de E. Esto es, la densidad superficial de carga inducida es proporcional al campo resultante.  El término susceptibilidad del vacío no es más que una forma de expresión. Tal como hemos definido la susceptibilidad, su valor ha de ser nulo, puesto que en el vacío no existen átomos cuyas cargas puedan ser desplazadas

fórmulas , el condensador .

Unidades internacionales, resistividad , cuerpos aisladores , resistencia de contacto , agrupamiento de resistencias

.

Resistencia eléctrica específica y conductancia para conductores a 20°C Resistencia eléctrica específica de aislantes Coeficientes de temperatura eléctricos a 20°C Constante dieléctrica Serie de tensión electroquímica.

Problemas resueltos de electricidad , cálculos básicos.

 

 

por un campo eléctrico. Las dimensiones de la susceptibilidad son las de una densidad superficial de carga dividida por una intensidad de campo eléctrico, o sea, en el sistema mks .

En función de la susceptibilidad, la Ecuación (1) se convierte en 

La magnitud Ke , se denomina coeficiente dieléctrico del material, y la Ecuación (2)  puede considerarse como su definición. Esta magnitud es conocida también por otros nombres, y suele representarse frecuentemente por otros símbolos. Algunos autores la denominan constante dieléctrica, y utilizan el símbolo E. Pero no resulta muy acertado hablar de una constante, ya que puede depender de la temperatura y de la intensidad del campo eléctrico.

El coeficiente dieléctrico de una sustancia es un número abstracto, puesto que η/ε0

también lo es. (Tanto las unidades mks de η como de ε0 son coul2/newton.m2.) 

Las ecuaciones (1) y (3) son enteramente equivalentes en contenido físico. La primera expresa el campo resultante E en el dieléctrico como diferencia entre el campo creado por las cargas libres y el creado por las ligadas. La última expresa el campo como fracción del correspondiente a las cargas libres.

Aunque en este caso especial (capa de dieléctrico entre un par de láminas paralelas) la intensidad del campo eléctrico dentro del dieléctrico es 1/Ke de su valor antes de introducir este último, no se cumple la misma reducción proporcional del campo en todos los casos; p. ej., si se introduce un dieléctrico esférico en un campo uniforme, como en la Figura 6 la razón del campo resultante dentro de la esfera al campo original es :

El producto Keε0 , que aparece en el denominador de la ecuación (3)  , se denomina capacidad específica de inducción del dieléctrico y se representa por ε:

ε = Keε0

En el vacío , donde   Ke =1 

ε = ε0

La magnitud ε0 puede describirse, por tanto, como la capacidad específica de inducción del vacío. La expresión no es afortunada, porque en sentido físico las

magnitudes susceptibilidad eléctrica η , coeficiente dieléctrico ,  y capacidad específica de inducción ε = Keε0  son

formas diversas de describir el desplazamiento relativo o la orientación de las cargas positivas y negativas situadas en el interior de una sustancia cuando ésta se encuentra en un campo eléctrico exterior. Naturalmente, tales efectos no pueden tener lugar en el vacío, y la expresión "capacidad específica de inducción del vacío " es, en el mejor de los casos, poco afortunada. Sería de desear un perfeccionamiento de la terminología ,y de la notación en relación con estos conceptos.

Las unidades de ε y ε0 son evidentemente las mismas, coul2/newton.m2, puesto que Ke, es un número abstracto. 

Las propiedades dieléctricas de una sustancia están completamente determinadas si se conoce una cualquiera de las tres magnitudes, susceptibilidad eléctrica η , coeficiente dieléctrico Ke o capacidad específica de inducción ε, que están ligadas por las siguientes ecuaciones:

La única razón de introducir estas tres magnitudes es simplificar la forma de ciertas ecuaciones usuales.

De resultas de las consideraciones anteriores , es evidente que se puede aumentar el efecto acumulador de cargas eléctricas que tienen conductores aislados , con sólo acercarle otro cuerpo conductor . Además , como hemos visto que  el aumento de capacidad se obtenía por la disminución de la energía potencial del cuerpo cargado , cuanto mayor sea la carga que se induzca en el cuerpo C de la Figura 3 , mayor será el aumento de capacidad del cuerpo cargado .

Por este motivo , si se desea construir un dispositivo capaz de acumular gran cantidad de electricidad , conviene hacerlo colocando dos placas

 

metálicas , muy cerca una de la otra , para que al cargar una de ellas , la otra se cargue , a su vez lo mas posible.

   

Además , la capacidad de los cuerpos depende de sus dimensiones y en particular para una esfera , depende de su radio , lo que hable de la conveniencia de aumentar el tamaño de los conductores para aumentar su capacidad. Todavía podemos agregar que se puede aumentar más aún la capacidad si colocamos entre los dos cuerpos una sustancia mas permeable al campo eléctrico , es decir , con constante dieléctrica elevada , puesto que la capacidad es directamente proporcional a esa constante . 

Un dispositivo construido de esta forma se denomina "condensador " o "capacitor " , siendo su vastedad de aplicaciones muy grande . 

 

Tipos de condensadoresExisten diversos tipos o configuraciones de condensadores, aunque se pueden resumir en tres grandesclases o tipologías:

• Condensadores planosEl condensador plano es el más típico ejemplo para entender el funcionamiento básico de los condensadores, en él se dan todos los efectos, pero al ser más sencilla su geometría, las ideas más importantes no se ven distorsionadas por la utilización de matemáticas complejas. Estos condensadores están formados por dos láminas conductoras paralelas, separadas por una pequeña distancia (si se compara con las dimensiones de las láminas); es muy corriente que en su interior se deposite un dieléctrico, encapsulándose todo el conjunto.

• Condensadores cilíndricosEn este tipo de condensadores se sustituye las placas paralelas por dos cilindros, uno exterior y uno interior, asegurándose que no existirá contacto eléctrico alguno entre ellos, para así formar un circuito con capacidad. También en su interior es frecuente depositar un dieléctrico para aumentar su capacidad. Estos tipos de condensadores son muy frecuentes, construyéndose tanto de materiales cerámicos como electrolíticos.

 

• Condensadores esféricosDos esferas aisladas eléctricamente constituyen la base de este condensador. No son tan frecuentes, pero en según qué aplicaciones son muy apreciados. Se construyen con dieléctricos y con materiales cerámicos o electrolíticos.

 

Aviación. Aplicaciones de la Hidráulica en aeronaves.

La hidráulica ha probado ser el sistema mas eficiente y económico adaptable a la aviación. Usado por primera vez por los griegos como medio de elevación de escenarios en sus anfiteatros, los principios de la hidráulica fueron explicados científicamente por los estudios de Pascal y Boyle en el siglo XVII. La leyes descubiertas por estos dos hombres considerando

los efectos de la presión y la temperatura sobre los gases y fluidos en áreas confinadas formaron las bases del principio de la ventaja mecánica; en otras palabras, el “porqué y cómo” de la hidráulica.

Vemos a continuación algunos conceptos de la aplicación de la hidráulica en la aviación y las características de estos sistemas. Las explicaciones incluyen definiciones detalladas de la terminología peculiar de la hidráulica con la cual se debe estar familiarizado para entender a fondo este tema.

En aviación, la hidráulica es el uso de fluidos bajo presión para transmitir la fuerza desarrollada en una ubicación del avión u otro equipo relacionado hacia algún otro punto sobre la misma aeronave. La hidráulica incluye además los principios subyacentes en la acción hidráulica y los métodos, fluidos y equipamiento usado en la implementación de éstos principios.

Aplicaciones de la hidráulica en aeronaves.

En aeronaves de ala fija, la hidráulica es usada para operar el tren de aterrizaje plegable y los frenos de las ruedas y para controlar los alerones de las alas y paso de la hélice. En conjunto con gases, la hidráulica es usada en la operación de :

Frenos de ruedas y rotor Montante amortiguador Amortiguador de vibraciones Sistemas de control de vuelo Elevación de rampas Pilón plegable Enganches de cabrestante

El rol del aire en la hidráulica

Algunos componentes hidráulicos requieren aire así como aceite hidráulico para su operación. Otros componentes hidráulicos no lo necesitan, y en por el contrario su desempeño es afectado seriamente por el aire que accidentalmente se filtra dentro del sistema.

La familiarización con los principios básicos de la neumática ayuda en la comprensión de la operación tanto en la operación de componentes hidráulicos que requieren aire como en aquellos que no lo necesitan. La misma ayuda, además, en la comprensión de cómo el aire puede alterar la operación normal de un sistema hidráulico si el mismo está presente en el sistema donde no debería estar.

Aire.

Cuando es usado en referencia a la hidráulica, se entiende que se refiere a aire atmosférico. Resumidamente, el aire es definido como una mezcla compleja e indefinida de muchos gases. De los gases individuales que forman el aire atmosférico, 90% o mas es oxígeno y nitrógeno.

Algún conocimiento de las características físicas del aire es muy importante para esta instrucción. Debido a que las propiedades físicas de todos los gases, incluyendo el aire, son las mismas, un estudio de estas propiedades se hace con referencia a los gases en general. Es importante tener en cuenta, sin embargo, que a pesar de tener similares características físicas, los gases difieren en gran medida en la composición química. Esta diferencia hace a algunos gases extremadamente peligrosos al ser usados bajo presión, cuando quedan en contacto con ciertas substancias.

Aire y nitrógeno.

El aire y el nitrógeno puro son gases inertes y son seguros y apropiados para su uso en sistemas hidráulicos.

Como ejemplo, sólo el aire y el nitrógeno están autorizados para su uso en sistemas hidráulicos de aviones de la armada de Estados Unidos. Bajo ninguna circunstancia pueden otros gases ser usados, dado que pueden producirse explosiones desastrosas casi en forma segura. Téngase precaución especialmente del oxigeno y el acetileno.

Con mayor frecuencia el aire usado en sistemas hidráulicos es obtenido de la atmósfera y forzado dentro de los sistemas hidráulicos por medio de un compresor de aire. El nitrógeno puro, sin embargo, está disponible sólo como gas comprimido envasado.

Aplicaciones en la hidráulica.

La habilidad de un gas para actuar en forma similar a un resorte es importante en la hidráulica. Esta característica es usada en algunos sistemas hidráulicos para permitir que los sistemas absorban, almacenen y liberen energía de fluido según se requiera. Estas habilidades dentro de un sistema son provistas con frecuencia por medio de un componente único diseñado para producir una acción similar a un resorte. En la mayoría de los casos, tales componentes usan aire, aunque un resorte podría igualmente se adecuado desde un punto de apoyo de funcionamiento. El aire es superior a un resorte debido a su bajo peso y debido a que el mismo no está sujeto a fallas por fatiga del metal como en un resorte. El uso mas común del aire en sistemas hidráulicos se encuentra en los acumuladores y amortiguadores.

Malfuncionamientos causados por el aire.

En general, todos los componentes y sistemas que no requieren gases en su operación son en gran medida alterados por la presencia de aire. Ejemplos son realimentación excesiva de fuertes ruidos de los controles de vuelo durante la operación, y la falla de la rueda y los frenos de rotor para mantenerse. Estas deficiencias pueden ser fácilmente corregidas al “purgar el sistema” : una manera controlada de permitir que el aire escape.

Fluidos usados en hidráulica.

Dos tipos generales de fluidos pueden ser usados en la operación y mantenimiento de los sistemas hidráulicos y equipamiento. A pesar de que ambos tipos de fluidos poseen características adecuadas para su uso hidráulico, no son intercambiables, ni son compatibles como mezclas. En la actualidad, sólo fluidos de base mineral son usados para la operación y el mantenimiento de los sistemas hidráulicos y componentes hidráulicos auto contenidos de una aeronave de la armada. A pesar de esto, los fluidos hidráulicos de base vegetal no pueden ser dejados completamente fuera de esta discusión.

En el pasado, algunas aeronaves de la aviación de la armada usaron fluidos de base vegetal para la operación y mantenimiento del sistema hidráulico. Además, todos los sistemas conocidos de frenos en los vehículos automotores con operados corrientemente con fluidos de base vegetal. Es muy posible que un suministro de éste tipo de fluido puede erróneamente caer dentro del sistema de suministro de la aviación. Por lo tanto, el personal de mantenimiento debe estar familiarizado con ambos tipos de fluidos de manera de poder reconocer el error y evitar el uso del fluido incorrecto, y la acción correctiva que debe tomarse si esto ocurre es tan importante como el conocimiento del sistema mismo.

Las partes de goma de los sistemas hidráulicos son particularmente sensibles a los fluidos incorrectos. Las partes de goma usadas en los sistemas operativos sobre base de fluidos de base vegetal son hechas de goma natural. Ambos tipos de gomas son seriamente dañadas por el contacto del tipo de fluido incorrecto.

Fluidos hidráulicos de base vegetal.

Los fluidos hidráulicos de base vegetal están compuestos esencialmente de aceite de castor y alcohol. Estos fluidos tienen un olor fácilmente reconocido, sugerentes de su contenido de alcohol.

Hay dos tipos de fluidos hidráulicos de base vegetal que el personal de aviación puede confundir en un error, los correspondientes a aviación y los de automotores. Su descripción es la siguiente:

El fluido de base vegetal de aviones está coloreado con un dado azul para su identificación y se designa con MIL-H-7644

El fluido hidráulico de base vegetal corrientemente usado para sistemas hidráulicos de automotores es de color ámbar. La designación militar de éste fluido es MIL-F-2111.

Recuerde que ninguno de estos fluidos es aceptable para su uso en sistemas hidráulicos de aviones, y no son para ser usados en gatos hidráulicos u otro equipamiento de manejo terrestre de aviones.

Fluidos hidráulicos de base mineral. Tres categorías de fluidos hidráulicos de base mineral son usados en la aviación de la armada en la actualidad: operacional, preservativo y de limpieza.

Fluido operacional.

Durante condiciones climáticas de frío extremo, el fluido operacional ahora usado por sistemas hidráulicos de aeronaves y componentes es MIL-H-5606. Este fluido está coloreado con dado rojo para su identificación y tiene un olor muy distintivo. El MIL-H-83282 es para ser usado en componentes y sistemas según lo prescripto en TB 55-1500-334-25.

Fluido preservativo.

El fluido preservativo contiene un aditivo especial para inhibir la corrosión. Su propósito primario es para llenar componentes hidráulicos como una protección contra la corrosión durante si envío o almacenamiento. Designado como MIL-H-6083A, el fluido preservativo es muy similar al fluido operacional en viscosidad, olor y color. El fluido operacional, MIL-H-5606, y el fluido preservativo MIL-H-6083A, son compatibles pero no intercambiables. Por lo tanto, al hacer los preparativos para instalar componentes preservados con 6083A, el fluido preservativo debe ser drenado al punto de goteo antes de la instalación, y los componentes rellenados con el fluido operacional. El fluido preservativo, 6083A, no necesita ser escurrido hacia afuera con 5606. Al usar MIL-H-83282, el preservativo debe ser enjuagado según lo prescripto en TB 55-1500-334-25.

Fluido de limpieza.

El TM 55-1500-204-23-2 contiene una lista de agentes autorizados de limpieza y detalla su uso en sistemas hidráulicos y componentes. Debido a la continua mejora de los agentes de limpieza, cambios al manual técnico básico son impresos y distribuidos según sea necesario. Por dicha razón, siempre recurra al manual técnico corriente y sus últimos cambios, para que el agente de limpieza autorizado sea usado en tipos de sistemas hidráulicos y componentes.

Acción correctiva en caso de servicio impropio.

Si un sistema hidráulico o componente sufre un servicio erróneo con fluido de base vegetal, el sistema debe ser drenado inmediatamente y luego enjuagado con líquido diluyente. Como paso siguiente, los componentes del sistema deben ser quitados y desarmados en la extensión necesaria para quitar todos los sellos. Los componentes son lavados, los sellos son reemplazados por nuevos, y el sistema es reensamblado para retornar a su operación.

Tratamiento de los fluidos.

La operación de los sistemas hidráulicos libre de problemas depende en gran medida de los esfuerzos llevados a cabo para asegurar el uso de un fluido hidráulico puro en un sistema limpio. Los contenedores de gran capacidad de distribución de fluidos deben ser abiertos cuidadosamente y completamente cerrados inmediatamente luego de la extracción fraccionada de cualquier fluido. Luego de la extracción, el fluido sin usar remanente en contenedores de galones o cuarto deben ser descartados. El equipo de fraccionamiento debe

estar cuidadosamente limpio durante el uso. Los embudos de llenado,  las tapas y envases en los cuales son instalados deben ser cuidadosamente limpios antes de su remoción y distribución de cualquier fluido.

Aparte de tomar precauciones al dispensar fluidos hidráulicos, usted  debe asegurarse además de lograr un almacenamiento seguro de los mismos y seguir las reglas de seguridad del manejo de los mismos.

Riesgo de incendio. Los fluidos hidráulicos son muy inflamables y deben ser mantenidos lejos de la exposición a las llamas, chispas y objetos calientes a elevadas temperaturas. Las pérdidas de fluido en una aeronave son definitivamente un riesgo de incendio y deben ser constantemente observadas para obtener una pronta corrección.

Toxicidad.

Los líquidos hidráulicos no son violentamente venenosos pero son en cierto grado tóxicos. Una respiración innecesaria de los humos y un contacto prolongado de cantidades de fluido con la piel expuesta deben ser evitados.

Resumiendo

La hidráulica es el uso de fluidos bajo presión para transmitir fuerza. En la aviación de la armada, la hidráulica es usada para operar el tren de aterrizaje, frenos, controles de vuelo, paso de la hélice y rampas de elevación.

La características de los sistemas hidráulicos son eficiencia, confiabilidad, sensibilidad al control, flexibilidad de instalación, peso liviano, auto lubricación y bajos requerimientos de mantenimiento.

La hidráulica opera sobre los principios de fuerza y presión. La unidad de medición de la fuerza en la armada de Estados Unidos, es la libra, y el área de medición de presión es la pulgada cuadrada. Así, la medición de fuerza-presión es expresada en libras por pulgada cuadrada (psi). La fuerza es transmitida a través de líquidos confinados sin cambio en la intensidad en todas las partes del líquido.

La ventaja mecánica es igual al valor de una fuerza o resistencia superada por la aplicación de una fuerza menor o esfuerzo mediante una máquina simple. La ganancia en la fuerza es obtenida a expensas de la pérdida en distancia. El régimen al cual la ventaja mecánica es producida por medios hidráulicos está en directa proporción con la relación del tamaño del área menor (entrada) al tamaño del área mayor (salida). (ejemplo: gato hidráulico).

Algunos componentes hidráulicos, como los amortiguadores de choques y acumuladores, requieren aire con el fluido hidráulico para su operación. El aire atmosférico y el nitrógeno puro son los únicos gases autorizados para su uso en la aviación militar.

Sólo fluidos hidráulicos de base mineral son autorizados para su uso en sistemas hidráulicos de aeronaves actualmente en la aviación militar.

Se debe tener cuidado para asegurar que no haya contaminación que ingrese en el sistema hidráulico. Los fluidos hidráulicos son muy inflamables y deben ser tratados y almacenados con las mismas precauciones que otros productos POL.