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En una válvula de control de presión, el ajuste de la presión se realiza normalmente modificando la fuerza de precarga del resorte de ajuste mediante un tornillo regulador. La presión varía al girar dicho tornillo.
Figura 11-1: Válvula de control de presión normalmente cerrada. El tornillo regulador establece la precarga del resorte, lo que determina la presión a la cual el émbolo se levanta y la válvula se abre.
En los sistemas hidráulicos, las válvulas de control de presión normalmente cerradas tienen varias aplicaciones. Además de utilizarse como válvulas de alivio del sistema, también pueden controlar la secuencia de acciones: controlar que una acción se produzca antes que otra. Asimismo, pueden emplearse para equilibrar fuerzas mecánicas externas.
Una válvula de control de presión normalmente cerrada que controla que una acción se produzca antes que otra se denomina válvula de secuencia.
En un circuito hidráulico que realiza tanto el apriete como la perforación, el cilindro de apriete debe extenderse antes que el cilindro de perforación. Para lograr esto, la válvula de secuencia se coloca en el circuito justo antes del cilindro de perforación. El resorte de la válvula de secuencia no permite que el émbolo conecte los conductos primario y secundario hasta que la presión aumente lo suficiente como para vencer la fuerza del resorte; hasta entonces, el flujo hacia el cilindro de perforación queda bloqueado. Por lo tanto, el cilindro de apriete se extiende primero. Cuando el dispositivo de apriete entra en contacto con la pieza de trabajo, la bomba debe suministrar una presión mayor para superar la resistencia. Esto eleva la presión por encima de la presión piloto que actúa sobre el émbolo de la válvula de secuencia, conectando así los conductos primario y secundario, y el flujo se dirige al cilindro de perforación; entonces este comienza a moverse.
Figura 11-2: Circuito con válvula de secuencia. Al bloquear la válvula de secuencia el flujo hacia el cilindro de perforación hasta que la presión del sistema aumenta, el dispositivo de apriete siempre se cierra primero antes de iniciar la perforación.
Una válvula de control de presión normalmente cerrada utilizada para equilibrar o soportar un peso (por ejemplo, una platina de prensa) se denomina válvula de contrabalanceo.
En un circuito de prensa, cuando la válvula direccional envía caudal al extremo ciego del cilindro, la platina de prensa conectada a la varilla del pistón caerá de forma incontrolada por efecto de la gravedad, y el caudal de la bomba se agotará. Para evitar esto, se instala una válvula de presión normalmente cerrada aguas abajo del cilindro de la prensa. El émbolo de la válvula no abre el paso principal-al-secundario hasta que la presión en el fondo supera la presión generada por el peso de la platina. En otras palabras, al suministrar aceite al extremo ciego del cilindro, este método equilibra el peso de la platina durante toda la carrera descendente.
La válvula de contrabalanceo también puede utilizarse para frenar el movimiento rotacional de un motor hidráulico de carga pesada. En el caso de un motor hidráulico que acciona ruedas pesadas, una vez que las ruedas adquieren impulso, el motor puede sobrepasar su velocidad nominal («runaway»). Si se instala una válvula de contrabalanceo en la salida del motor, dicha válvula solo se abre cuando la presión de salida alcanza el valor ajustado. Esta contrapresión contrarresta la fuerza generada por la conversión del impulso rotacional de la rueda pesada.
Figura 11-3: Válvula de contrabalanceo. (Arriba) Evita que la platina de la prensa caiga de forma incontrolada. (Abajo) Evita que el motor de carga pesada sobrepase su velocidad nominal cuando la carga impulsa al motor.
Una válvula de alivio simple consta esencialmente de un cuerpo de válvula con un émbolo sometido a la acción de un resorte rígido. Cuando la presión en el lado del émbolo opuesto al resorte aumenta lo suficiente, el émbolo se desplaza y abre un paso para derivar el caudal de la bomba hacia el depósito.
En el circuito de ejemplo, la válvula de alivio simple está ajustada de modo que, cuando la presión de salida de la bomba alcance 1000 psi (68,97 bar), se produzca un caudal de alivio de 10 gpm (37,9 lpm). Esto no significa que la válvula se abra de forma repentina a los 1000 psi; más bien, a presiones inferiores a 1000 psi (68,97 bar), la válvula comienza a abrirse en un punto de baja presión, desviando parte del caudal hacia el depósito. A medida que la presión se aproxima a 1000 psi (68,97 bar), la apertura aumenta gradualmente para permitir un mayor caudal hacia el depósito. En el punto de ajuste de 1000 psi (68,97 bar), la abertura del orificio es lo suficientemente grande como para permitir el caudal total de 10 gpm (37,9 lpm). Cuando la presión del sistema desciende por debajo de la presión de apertura de la válvula de alivio, la vía hacia el depósito creada por la apertura de la válvula desaparece del circuito.
La apertura de una válvula de alivio es esencialmente una función de orificio. Al igual que cualquier dispositivo de orificio, el caudal que pasa a través de ella se ve afectado por la temperatura del fluido y, por tanto, por su viscosidad.
Para una válvula de alivio ajustada a 1000 psi (68,97 bar) que desvíe 10 gpm (37,9 lpm), se supone que la viscosidad del aceite permanece constante. A temperatura ambiente, la viscosidad del aceite en el depósito del equipo es de 400 a 500 SUS (86,3 a 107,9 cSt). Con esta viscosidad, al ajustar la válvula de alivio del sistema a 1000 psi (68,97 bar), se desvían 10 gpm (37,9 lpm) mediante la abertura del orificio. Una vez que el aceite se calienta, la presión de la bomba puede limitarse a 900 psi (62 bar) o menos. La razón es que, al aumentar la temperatura del aceite, su viscosidad disminuye —por ejemplo, hasta 100 SUS (21,6 cSt)—. Esto significa que una fuerza de presión menor puede impulsar un caudal de 10 gpm (37,9 lpm) a través de la abertura de la válvula de alivio hacia el depósito.
Lo opuesto ocurre cuando la válvula de alivio se ajusta a la viscosidad de funcionamiento: al arrancar la bomba, la temperatura del aceite es baja y su viscosidad, alta, por lo que la presión de la bomba puede alcanzar los 1100 psi (75,9 bar). En los sistemas con límites estrictos de presión máxima de la bomba, el sistema debe calentarse previamente antes de ajustar la válvula de alivio.
Figura 11-5: Efecto de la temperatura en la presión de ajuste de la válvula de alivio. El aceite frío (de alta viscosidad) requiere una presión mayor para permitir el mismo caudal. Siempre caliente el sistema antes de ajustar la válvula de alivio.
El desgaste de la bomba también afecta el ajuste de la válvula de alivio. Para una válvula de alivio ajustada para derivar 10 gpm (37,9 lpm) a 1.000 psi (68,97 bar), siempre que se proporcione una presión de 1.000 psi (68,97 bar) en el puerto de entrada de la válvula, un caudal de bomba de 10 gpm (37,9 lpm) puede derivarse a través del orificio de la válvula hacia el depósito. A medida que pampas hidráulicas la bomba se desgasta, su caudal de salida disminuye; por lo tanto, el caudal a través de la válvula de alivio también disminuye y la presión cae asimismo. Para una válvula ajustada a 1.000 psi (68,97 bar) para derivar 10 gpm (37,9 lpm), cuando el caudal derivado disminuye a 5 gpm (18,95 lpm) debido al desgaste de la bomba, la presión de la válvula de alivio del sistema puede reducirse únicamente a 900 psi (62 bar). Al ajustar el valor de presión de la válvula de alivio, pueden producirse situaciones similares.
La presión de apertura es la presión a la que la válvula de alivio comienza a abrir su paso de derivación. En una válvula de alivio simple, esta presión es ligeramente inferior al valor de ajuste de la válvula de alivio. Las válvulas de alivio simples presentan la característica de presión de apertura anticipada.
En el diagrama de la curva de rendimiento de la válvula de alivio simple, la válvula está ajustada para derivar 10 gpm (37,9 lpm) a 1.000 psi (68,97 bar). La curva muestra que la válvula se abre a 800 psi (55,2 bar) y, a medida que la presión se aproxima a 1.000 psi (68,97 bar), el caudal de derivación aumenta; finalmente, a 1.000 psi (68,97 bar), la abertura del orificio es suficientemente grande como para permitir un caudal de 10 gpm (37,9 lpm).
La presión de apertura anticipada de la válvula de alivio constituye una desventaja para el sistema. Supongamos que la bomba/motor genera 750 psi (51,7 bar) y suministra 10 gpm (37,9 lpm) al actuador, donde se necesitan 550 psi (37,9 bar) para la carga y los 200 psi restantes (13,8 bar) superan la resistencia del fluido. Al utilizar una válvula de alivio simple ajustada a 1000 psi (68,97 bar), en este punto la válvula permanece cerrada y todo el aceite a presión va directamente a la carga de trabajo.
Si la presión de la carga aumenta a 700 psi (48,28 bar), la bomba/motor debe elevar su presión de salida a 900 psi (62,1 bar) (suponiendo un caudal de salida constante). Dado que la presión de apertura de la válvula de alivio es de 800 psi (55,2 bar), con la presión actual de la bomba se desvía un caudal de 5 gpm (18,95 lpm), lo que significa que el actuador recibe menos que el caudal total de la bomba, completando la acción a una velocidad reducida. Al mismo tiempo, el aceite fluye a través del orificio de la válvula de alivio y genera calor innecesario.
Si la presión de carga es de 750 psi (51,7 bar), la bomba/motor debe generar 950 psi (65,5 bar); con una presión aún mayor y un caudal adicional que se desvía a través del orificio de la válvula de alivio, la velocidad del actuador disminuye aún más y se genera aún más calor innecesario.
Figura 11-7: Efecto de la presión previa a la fractura. La válvula de alivio simple comienza a desviar caudal antes de alcanzar la presión ajustada, reduciendo la velocidad del actuador y disipando energía en forma de calor a presiones intermedias de carga.
La válvula de control de presión normalmente cerrada mantiene sus puertos primario y secundario desconectados en su posición normal, detectando la presión en el puerto primario. La válvula de presión normalmente abierta mantiene sus puertos primario y secundario conectados en su posición normal, detectando la presión en el puerto secundario.
La válvula reductora suele ser una válvula de control de presión normalmente abierta.
Una válvula reductora funciona detectando la presión aguas abajo de la válvula. Cuando la presión aguas abajo iguala el valor ajustado de la válvula, el émbolo se cierra parcialmente, formando un orificio que convierte la energía excesiva de la presión aguas arriba en calor. Si la presión aguas abajo disminuye, el émbolo se abre más, permitiendo que la presión vuelva a aumentar.
El circuito de sujeción de ejemplo requiere que el cilindro de sujeción B ejerza menos fuerza que el cilindro de sujeción A. Para lograrlo, se instala una válvula reductora justo antes del cilindro de sujeción B, reduciendo así la presión que llega al cilindro B hasta el valor ajustado de la válvula reductora. En este punto de presión ajustada, la acción del émbolo de la válvula reductora crea una función de orificio, convirtiendo la energía excesiva de la presión aguas arriba en calor. El cilindro B realiza la sujeción a la presión reducida.
La presión en el puerto secundario de la válvula reductora, bajo condiciones de caudal nominal, es inferior a la presión en condiciones de caudal nulo. La diferencia entre ambas presiones reducidas constituye el desplazamiento estático de caída de presión de la válvula reductora. Esta caída estática es una característica inherente de la válvula reductora que explica aún más por qué la presión aumenta con el caudal. Una válvula reductora de caudal nominal de 15 gpm (56,85 lpm), operando a caudal y presión de trabajo nominales, presenta un desplazamiento estático de caída de presión de aproximadamente 50 psi (3,45 bar), mientras que una válvula reductora de 100 gpm (379 lpm) puede presentar un desplazamiento estático de caída de presión tan elevado como 150 psi (10,3 bar).
Figura 11-9: Caída estática de presión en la válvula reductora. La presión de salida es ligeramente inferior durante el flujo que cuando este cesa. Cuanto mayor sea el caudal nominal de la válvula, mayor será este desplazamiento.
A medida que la corredera de la válvula de control de presión se desplaza dentro del cuerpo de la válvula, algo del aceite bajo presión se filtra hacia la cavidad situada por encima de la corredera. Para que la válvula funcione correctamente, la cavidad situada por encima de la corredera debe drenar continuamente el aceite para evitar bloquear su movimiento. El drenaje se logra mediante la creación de un conducto de drenaje dentro del cuerpo de la válvula y su conexión con el depósito.
Si el puerto secundario de la válvula de presión está conectado al depósito —como ocurre con las válvulas de alivio y las válvulas antideslizamiento—, el conducto de drenaje se conecta internamente al puerto secundario (puerto de retorno). Esto se denomina drenaje interno.
Si el puerto secundario de la válvula de presión es un puerto de presión (puerto de trabajo), como sucede con las válvulas de secuencia y las válvulas reductoras, el conducto de drenaje constituye una línea independiente que va al depósito. Esto se denomina drenaje externo. Las válvulas de secuencia y las válvulas reductoras suelen ser válvulas de control de presión con drenaje externo.
Hasta ahora, la detección de presión se ha realizado mediante conductos internos del cuerpo de la válvula. Normalmente, en las válvulas normalmente cerradas, la detección se lleva a cabo en el puerto primario; en las válvulas normalmente abiertas, en el puerto secundario. Esta forma de detección de presión se denomina control directo o control local. Una válvula reguladora de presión también puede detectar la presión desde otra parte del sistema mediante una tubería externa; esto se denomina control remoto o control piloto.
Figura 11-10: El control directo (izquierda) detecta la presión en el propio puerto de la válvula. El control remoto (derecha) permite que una señal de presión procedente de una ubicación distante abra o ajuste la válvula, lo cual resulta útil para la descarga del acumulador y la secuenciación de múltiples actuadores.
Una válvula de descarga es una válvula reguladora de presión normalmente cerrada con control remoto. Cuando la presión del sistema en el punto de detección alcanza un valor preestablecido, la válvula desvía el caudal hacia el depósito.
En el circuito del acumulador con una válvula de presión de control directo, una vez que el acumulador se carga hasta la presión ajustada de la válvula, el caudal de salida de la bomba se devuelve al depósito a la presión de ajuste de la válvula de seguridad. Esto desperdicia una cantidad significativa de potencia y genera grandes cantidades de calor innecesario. Al conectar la línea de control a la válvula de descarga aguas abajo de la válvula de retención, cuando el acumulador se carga hasta la presión ajustada de la válvula, la presión de control abre dicha válvula, derivando el caudal de la bomba al depósito a la presión más baja posible. En este momento, la bomba no necesita suministrar una alta presión para mantener abierta la válvula de descarga, ya que la presión de control proviene del acumulador, aislado por la válvula de retención. Dado que, en este punto, la presión de la bomba es despreciable, las pérdidas de potencia también lo son.
Figura 11-11: Circuito de la válvula de descarga. Cuando el acumulador está cargado, la válvula de retención lo aísla de la bomba y la válvula de descarga deriva el caudal de la bomba al depósito a presión mínima, ahorrando casi toda la potencia de la bomba durante el estado de espera.
Una válvula de contrabalanceo de accionamiento directo instalada aguas abajo del cilindro que soporta la platina de la prensa puede equilibrar o anular eficazmente el peso de la platina. Sin embargo, durante el proceso de prensado, cuando la platina atraviesa el material, su peso no debe sumarse a la fuerza total de prensado. Si esto no se desea, la válvula de contrabalanceo debe utilizar control remoto, conectando su línea de control a la otra línea de trabajo del cilindro. Al emplear una válvula de contrabalanceo con control remoto, la platina sigue estando equilibrada durante el desplazamiento hacia abajo, pero durante el proceso de prensado su peso puede contribuir a la fuerza de prensado. Durante toda la carrera descendente, en la carrera de avance en vacío, el peso propio de la platina tiende a tirar del vástago del cilindro hacia abajo; la presión aguas arriba y la presión en la línea de control disminuyen, lo que provoca que la válvula de contrabalanceo tienda a cerrarse, aumentando la resistencia y evitando que el caudal siga la velocidad de descenso; durante el proceso de prensado, la válvula de contrabalanceo se abre completamente gracias a la alta presión de control aguas arriba, sin generar presión de retorno en el lado del vástago, de modo que el peso de la platina puede sumarse a la fuerza de prensado.
Nota: El circuito mostrado es un diagrama simplificado. El circuito real requiere mejoras para lograr un funcionamiento estable.
En el circuito hidráulico de motor mostrado, se utiliza una válvula de contrabalance de acción directa para frenar la inercia rotacional de la carga pesada. La válvula de contrabalance está ajustada a 800 psi (55,2 bar) y proporciona constantemente una presión de retorno a la carga en rotación, de modo que la velocidad de la carga no pueda superar el caudal de la bomba y provocar sobreviraje. Sin embargo, esto también significa que la presión de entrada al motor debe superar la presión de trabajo de la carga más 800 psi (55,2 bar); esta es una desventaja. Para superarla, se puede utilizar en su lugar una válvula de freno.
Una válvula de freno es una válvula de control de presión normalmente cerrada, con puertos de control directo y remoto. Ambos métodos de control están conectados simultáneamente. Las válvulas de freno se utilizan comúnmente con motores hidráulicos y sustituyen a las válvulas de contrabalance de acción directa en los circuitos hidráulicos de motor.
La válvula de freno consta de un cuerpo de válvula, un émbolo, un pistón de control, un resorte de precarga y un dispositivo de ajuste del resorte. El cuerpo de la válvula tiene conductos primario, secundario, de control interno y de control externo.
La válvula de freno es una válvula normalmente cerrada. Suponga que el resorte de precarga está ajustado para abrirse mediante control directo a 800 psi (55,2 bar). Cuando la presión en el conducto interno de control alcanza los 800 psi (55,2 bar), el pistón de control se desplaza hacia arriba y empuja el émbolo, abriendo la válvula de freno. Cuando la presión desciende por debajo de los 800 psi (55,2 bar), la válvula se cierra. Esta acción es idéntica a la de la válvula de contrabalanceo de accionamiento directo. El área del pistón de control interno es mucho menor que el área de la sección transversal del émbolo; la relación de áreas es típicamente de 8:1. El orificio de control externo generalmente se conecta a la otra línea de trabajo del motor. La presión externa actúa sobre el extremo opuesto de la cavidad del resorte del émbolo; solo se necesitan 100 psi (6,89 bar) para abrir la válvula, ya que actúa sobre el extremo inferior del émbolo, cuya superficie es 8 veces mayor que la del pistón de control.
Suponga que la válvula de freno está ajustada a 800 psi (55,2 bar) de control directo. Cuando la presión en la línea de entrada del motor alcanza 100 psi (6,89 bar), la válvula de freno se abre y toda la presión de entrada del motor se utiliza para mover la carga (suponiendo que 100 psi / 6,89 bar es mayor). Si la carga sobrepasa su velocidad nominal, la presión de entrada del motor disminuye, la válvula de freno se cierra y la contrapresión de 800 psi (55,2 bar) vuelve a abrirse, aumentando la resistencia y reduciendo la velocidad de la carga.
La válvula de freno es una válvula de control de presión normalmente cerrada. Su funcionamiento está directamente relacionado con las necesidades de la carga del motor.
Figura 11-13. Válvula de freno. A diferencia de una válvula de contrabalance simple, la válvula de freno dispone tanto de control directo (interno) como remoto (externo). La relación de áreas de 8:1 significa que solo se requieren 100 psi de presión piloto externa para abrirla; así, el motor puede mover fácilmente la carga, al tiempo que sigue proporcionando una contrapresión de frenado de 800 psi cuando la carga intenta sobrepasar su velocidad máxima.
Excepto las válvulas de alivio y las válvulas de descarga, todas las válvulas de presión requieren normalmente un flujo inverso para poder pasar libremente. Las válvulas de presión normalmente cerradas detectan la presión en el puerto primario; si el flujo se invierte, la presión en el puerto primario disminuye, el émbolo se cierra y se interrumpe la conexión entre los puertos primario y secundario. Dado que el flujo inverso no puede atravesar las válvulas de presión normalmente cerradas, debe utilizarse una válvula de retención para derivar este tipo de válvula.
Las válvulas de presión normalmente abiertas detectan la presión en el conducto secundario; mientras el flujo se invierta, la presión aguas abajo permanece por debajo del valor ajustado y el paso de la válvula permanece siempre abierto, por lo que no se necesita una válvula de retención para el flujo inverso. Sin embargo, en la práctica, una vez que la presión en el puerto secundario supera el valor ajustado, el émbolo se cierra bruscamente. Como medida de precaución, suele emplearse conjuntamente una válvula de retención y una válvula reductora para garantizar el flujo inverso.
Del estudio realizado en este capítulo, podemos resumir las reglas clave para las válvulas de control de presión:
Figura 11-15: Símbolos gráficos para todas las válvulas de control de presión. Nota: las válvulas de secuencia y las válvulas reductoras siempre tienen líneas de drenaje externo (representadas mediante líneas discontinuas hacia el depósito). Las válvulas limitadoras, las válvulas de descarga y las válvulas antirretro utilizan drenaje interno.
Términos clave utilizados con las válvulas de control de presión:
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