Al transmitir energía mediante un fluido, debe determinarse la dirección y mantenerse un control total continuo. Sin un control completo, la energía resulta inútil o, peor aún, podría dañarse la máquina. Una de las principales ventajas de la tecnología hidráulica es la capacidad de utilizar válvulas de control hidráulico para regular la energía de forma relativamente sencilla.

Válvulas de control hidráulico

Una válvula de control hidráulico es un componente mecánico constituido por un cuerpo de válvula con conductos internos que pueden conectar o bloquear el flujo de fluido, así como por piezas móviles internas. Los conductos del cuerpo se utilizan para transportar aceite. La acción de las piezas móviles internas regula la presión máxima, la dirección del flujo y el caudal del sistema.

Control de la presión del sistema

La energía hidráulica puede aplicarse a un cilindro hidráulico. Cuando el resultado es un trabajo exitoso, una vez que el cilindro está completamente extendido, el trabajo queda realizado. La bomba de desplazamiento positivo seguirá absorbiendo más energía de su motor primario. Esto genera una mayor presión en el aceite. (Nota: la resistencia mínima del sistema determina la presión hidráulica aplicada.) A medida que el cilindro se extiende más, la resistencia mecánica del sistema se convierte en la resistencia mínima.

La bomba añadirá más presión para superar esta resistencia. Las personas utilizan válvulas de control de presión para mantener la presión del sistema dentro de un rango seguro.

Válvula de control de presión

Las piezas móviles internas de una válvula de control de presión funcionan en función de la presión. Cuando la presión del sistema alcanza un valor ajustado determinado, las piezas móviles internas conectan o bloquean uno de los conductos del cuerpo de la válvula, haciendo que el aceite fluya o impidiendo que fluya hacia dicho conducto.

Construcción de la válvula de control de presión

Una válvula de control de presión consta de un cuerpo de válvula con conductos primario y secundario, y partes móviles internas (el émbolo deslizante). Las conexiones externas a los conductos se denominan puerto primario y puerto secundario.

Funcionamiento de una válvula de control de presión

La parte móvil interna de una válvula de control de presión suele ser un dispositivo del tipo émbolo deslizante. Cuando el émbolo deslizante se encuentra en una posición extrema, el conducto interno queda conectado y el flujo puede atravesarlo. Cuando se encuentra en la otra posición extrema, el conducto interno queda bloqueado y se corta el flujo a través de la válvula.

En una válvula de control de presión, el émbolo deslizante está sometido a la acción de un muelle que lo mantiene en una posición extrema. En esta posición normalmente cerrada, el conducto interno queda bloqueado y la vía de flujo a través de la válvula permanece cerrada. Este tipo se denomina válvula de control de presión normalmente cerrada.

La válvula de control de presión detecta la presión en la parte inferior del émbolo. Este conducto inferior se conecta al puerto primario. Cuando la presión del sistema supera la fuerza del resorte, el émbolo se desplaza para conectar el conducto interno, permitiendo así el flujo a través de la válvula.

(La presión hidráulica utilizada para controlar el desplazamiento del émbolo se denomina presión piloto. El uso de la presión piloto para controlar una válvula se conoce como control piloto y es el método más común para controlar todos los tipos de válvulas hidráulicas.)

Si el puerto primario de este tipo de válvula de control de presión se conecta al lado de presión del sistema y la presión aplicada por la bomba es demasiado alta, el caudal proveniente de la bomba puede derivarse a través de esta válvula hacia el depósito de aceite; este tipo de válvula de control de presión normalmente cerrada se denomina válvula de alivio.

Figura 7-2: Válvula de control de presión normalmente cerrada (funcionamiento de la válvula de alivio). El resorte mantiene el émbolo cerrado hasta que la presión del sistema supere el ajuste del resorte; entonces, el émbolo se desplaza y abre una vía hacia el depósito.

Figura 7-3: Un circuito hidráulico sencillo con control de presión (válvula de alivio). Cuando el cilindro alcanza el final de su carrera, la válvula de alivio se abre y desvía el caudal de la bomba de vuelta al depósito, limitando así la presión máxima del sistema.

Control direccional de los actuadores

Una vez que un cilindro hidráulico se ha extendido completamente, debe retraerse para poder realizar nuevamente trabajo. Por esta razón, los cilindros que necesitan moverse en dos direcciones normalmente utilizan cilindros hidráulicos con dos orificios: cilindros de doble efecto. En ese caso, la dirección del flujo debe invertirse simultáneamente.

Cilindro hidráulico de doble efecto

Un cilindro hidráulico de doble efecto tiene un orificio en cada extremo del cuerpo, lo que permite que el aceite entre y salga, de modo que el pistón pueda moverse en ambas direcciones (de doble efecto). Para distinguir los dos orificios de un cilindro de doble efecto, etiquetamos uno de ellos como «A» y el otro como «B».

Válvula de control direccional

Las piezas móviles internas de una válvula de control direccional tienen la función de conectar o bloquear los conductos internos del cuerpo de la válvula, controlando así la dirección del flujo de aceite.

Construcción de la válvula de control direccional

Una válvula de control direccional típica tiene cuatro pasajes internos en el cuerpo de la válvula y un émbolo deslizante que puede conectar o bloquear estos pasajes.

Funcionamiento de una válvula de control direccional

Cuando el émbolo se encuentra en una posición extrema, el pasaje de presión se conecta al pasaje de trabajo A, y el pasaje de retorno se conecta al pasaje de trabajo B. Cuando el émbolo cambia a la otra posición extrema, el pasaje de presión se conecta al pasaje de trabajo A, y el pasaje de retorno se conecta al pasaje de trabajo B. El cambio de dirección del émbolo invierte la dirección del flujo de aceite hacia el cilindro hidráulico.

Cuando la varilla del cilindro se extiende y retrae completamente según sea necesario, se realiza el trabajo. Cuando el émbolo cambia a la otra posición extrema, el aceite fluye hacia el otro lado del cilindro, y la varilla del cilindro se retrae.

Figura 7-4: Válvula de control direccional en un circuito con cilindro de doble efecto. El desplazamiento del émbolo invierte la dirección del flujo de aceite, lo que a su vez invierte el movimiento del cilindro.

Control de velocidad de los actuadores

En muchas aplicaciones, la velocidad de funcionamiento del actuador debe controlarse y, en ocasiones, controlarse con mucha precisión. Como se explicó anteriormente, la velocidad de los actuadores (cilindros, motores hidráulicos) está directamente relacionada con el caudal de inyección de aceite: la velocidad del actuador viene determinada por el caudal de entrada.

Dado que el desplazamiento de la bomba puede ser fijo, es posible seleccionar el caudal de la bomba en función de la velocidad requerida del actuador. Esto solo es viable en sistemas con un único actuador.

Normalmente, en un sistema hidráulico hay más de un actuador. Si el sistema requiere que cada cilindro hidráulico opere de forma independiente, el caudal de la bomba debe seleccionarse en función del cilindro hidráulico de mayor tamaño que necesite la velocidad más elevada. Esto significa que los actuadores más pequeños se moverán a mayor velocidad, lo cual puede no ser deseable. Para reducir el caudal que entra en estos o en cualquier otro actuador, debe utilizarse una válvula de control de caudal.

Válvula de Control de Flujo

Al utilizar una válvula de control de caudal, siempre es posible reducir el caudal desde la bomba hasta el actuador.

Construcción de la válvula de control de caudal

Una válvula típica de control de caudal consta de un cuerpo de válvula y una pieza móvil. En nuestro ejemplo, la pieza móvil es una aguja de ajuste con extremo cónico. Dado que la aguja no se desplaza realmente durante el funcionamiento (se preajusta a una posición), resulta más adecuado denominar las piezas móviles de la válvula de control de caudal «ajustables» en lugar de «móviles».

Funcionamiento de una válvula de control de caudal

En un sistema hidráulico, la válvula de control de caudal siempre trabaja conjuntamente con la válvula de control de presión (de alivio). La válvula de control de caudal constituye una resistencia. Provoca que la bomba hidráulica genere una presión mayor. Esta presión puede hacer que parte del caudal procedente de la bomba abra la válvula de alivio, reduciendo así el caudal que atraviesa la válvula de control de caudal y llega al actuador.

Figura 7-5: Circuito de control de caudal. La válvula de aguja estrangula el caudal hacia el cilindro. El caudal excedente de la bomba pasa por la válvula de alivio hacia el depósito. La apertura de la válvula de aguja determina la velocidad del cilindro.

Un sistema hidráulico sencillo

Todos los componentes presentados anteriormente pueden constituir un sistema hidráulico sencillo. Dado que la energía hidráulica de este sistema es controlable, dicho sistema puede realizar un trabajo útil.

Los sistemas hidráulicos se utilizan ampliamente en muchos campos, desde la industria aeroespacial, las aeronaves y el equipo militar hasta la industria, las máquinas móviles y los equipos siderúrgicos. Los principios de funcionamiento de los sistemas hidráulicos en todas estas aplicaciones son los mismos que los descritos anteriormente. La única diferencia entre los distintos «tipos» de sistemas hidráulicos radica en los componentes empleados.

En los capítulos siguientes, analizaremos detalladamente varios tipos de componentes —utilizados en sistemas hidráulicos industriales—. Para explicar cómo utilizar estos componentes, también diseñaremos algunos circuitos hidráulicos básicos.

Símbolos gráficos hidráulicos

En discusiones anteriores sobre componentes hidráulicos y sistemas básicos, todo se explicó gráficamente —mediante vistas en corte para mostrar visualmente las acciones internas de los componentes—. Este método resulta útil para explicar problemas, pero es poco práctico desde una perspectiva operativa cotidiana.

Al igual que otros campos técnicos, la hidráulica también utiliza símbolos gráficos para representar componentes y sistemas. Los diversos componentes hidráulicos y sistemas sencillos analizados anteriormente pueden representarse todos mediante los símbolos gráficos hidráulicos y neumáticos normalizados ANSI Y32.10 o ISO 1219.

Además de los componentes ya tratados, los componentes que integran un sistema hidráulico incluyen también motores eléctricos, filtros hidráulicos, etc. Por lo general, los sistemas hidráulicos son accionados por motores eléctricos. Asimismo, para mantener un nivel razonable de limpieza, los sistemas hidráulicos deben emplear filtros hidráulicos que protejan el aceite contra la contaminación.

Figura 7-7 Símbolos gráficos hidráulicos estándar (ANSI Y32.10 / ISO 1219). Estos símbolos se utilizan en todos los diagramas esquemáticos de circuitos hidráulicos en lugar de dibujos en sección transversal.

Figura 7-8 Un circuito hidráulico simple completo representado con símbolos gráficos estándar. Así es como se dibujan los circuitos hidráulicos en la práctica ingenieril.