33-99 No. Mufu E Rd. Distrito de Gulou, Nanjing, China [email protected] | [email protected]
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Una válvula de retención consta principalmente de un cuerpo de válvula con puertos de entrada y salida, y una parte móvil accionada por resorte. La parte móvil puede ser un disco, una placa o un émbolo — en los sistemas hidráulicos suele ser, con mayor frecuencia, una bola o un asiento para émbolo.
El fluido solo puede fluir a través de una válvula de retención en un sentido: el sentido de flujo libre. Cuando la presión del sistema en el puerto de entrada aumenta lo suficiente como para vencer la fuerza del resorte que mantiene la válvula de bola (poppet) en su asiento, esta se desplaza de su asiento y el fluido fluye a través de ella. Este es el sentido de flujo libre. Cuando el fluido intenta fluir en sentido inverso desde el puerto de salida, la válvula de bola es empujada contra su asiento, sellando el paso y bloqueando el flujo inverso.
Figura 8-1: Válvula de retención. La válvula de bola accionada por resorte se asienta cuando el flujo se invierte, bloqueando por completo el flujo inverso. La válvula de retención es el equivalente hidráulico de una calle de sentido único.
Las válvulas de retención cumplen funciones tanto direccionales como de control de presión: permiten el flujo únicamente en un sentido. En los sistemas hidráulicos, estas válvulas se utilizan comúnmente como válvulas de derivación, permitiendo que el fluido pase alrededor de un componente. Por ejemplo, una válvula de retención conectada en paralelo con una válvula de control de caudal permite que el flujo inverso la derive, evitando así pasar por la válvula de control de caudal.
Las válvulas de retención también pueden aislar una rama o un componente de un sistema. Por ejemplo, en el caso de un acumulador: la válvula de retención impide que el acumulador se descargue nuevamente a través de la válvula de alivio o de la bomba hidráulica.
SEGURIDAD: Cuando se utilizan válvulas de retención en circuitos con acumuladores, el circuito debe incorporar un mecanismo para descargar automáticamente el acumulador cuando la máquina se apaga.
Una válvula de retención es, por lo general, un dispositivo de baja fuga; de hecho, puede diseñarse para ser completamente estanca. Una válvula de retención puede sostener una carga durante un tiempo casi indefinido. Sin embargo, recuerde que una válvula de retención es una válvula unidireccional: para liberar la carga, la parte móvil debe ser forzada a separarse de su asiento. Esto requiere un tipo especial de válvula de retención denominada válvula de retención pilotada.
Figura 8-2 Tres usos comunes de las válvulas de retención en circuitos hidráulicos: derivación alrededor de un control de caudal, aislamiento de un acumulador y umbral de presión con resorte.
La mayoría de los componentes hidráulicos del tipo carrete presentan cierto caudal interno de derivación; esto no indica mala calidad, ya que gran parte de este caudal de derivación está, de hecho, diseñada intencionalmente para lubricar el componente. Sin embargo, si un sistema requiere que un cilindro mantenga una carga suspendida sin desplazamiento (creep), las fugas se convierten en un problema. En esta situación, debe utilizarse una válvula de retención con capacidad de estanqueidad.
Una válvula de retención pilotada permite el flujo libre en un sentido; cuando una presión piloto desplaza la pieza móvil de su asiento, también se permite el flujo inverso a través de la válvula.
Al igual que una válvula de retención convencional, una válvula de retención pilotada consta de un cuerpo de válvula con puertos de entrada y salida, un émbolo (pieza móvil) accionado por resorte contra un asiento. Además, directamente opuesto al asiento, el émbolo incorpora una varilla de empuje y un pistón piloto accionado por un resorte blando. La presión piloto procedente del puerto piloto actúa sobre dicho pistón. La cámara del resorte del pistón dispone de un puerto de drenaje.
Una válvula de retención pilotada permite el flujo libre desde la entrada hacia la salida, del mismo modo que una válvula de retención convencional. El flujo que intenta entrar desde la salida fuerza el asiento del émbolo, cerrando el paso. Cuando una presión piloto suficiente actúa sobre el pistón piloto, este se desplaza y empuja el émbolo de la válvula de retención, levantándolo de su asiento. Siempre que la fuerza ejercida sobre el pistón piloto sea lo suficientemente grande, el flujo puede circular desde la salida hacia la entrada.
Figura 8-3: Válvula de retención pilotada. Sin presión piloto, funciona como una válvula de retención convencional (flujo libre en un solo sentido). Al aplicar presión piloto, también se permite el flujo inverso, lo que posibilita la liberación de la carga.
El uso de una válvula de retención pilotada para sellar el flujo desde el puerto B del cilindro mantiene la carga suspendida siempre que las juntas del cilindro sean efectivas y no haya fugas en las tuberías, el cilindro ni la válvula de retención. Para bajar la carga, basta con aplicar presión piloto desde la línea A al pistón de control.
La presión de pilotaje para la válvula de retención pilotada se toma de la línea de trabajo del cilindro hidráulico; siempre que la presión en la línea A sea suficientemente alta, la válvula de retención permanece abierta. Cuando la carga se está elevando, el aceite pasa fácilmente a través de la válvula de retención porque ese es el sentido de flujo libre.
En algunas situaciones, las cargas conectadas a la varilla del pistón del cilindro deben bloquearse de forma inmóvil. Para lograr esto, se puede instalar una válvula de retención pilotada en cada línea de trabajo del cilindro: dichas válvulas de retención pilotadas sellan el flujo que sale del cilindro. Siempre que las juntas del cilindro sigan siendo efectivas y no haya fugas en ninguna parte, la carga puede mantenerse en posición.
Para un bloqueo absoluto de la carga, debe utilizarse un cilindro de bloqueo especial con un dispositivo de bloqueo mecánico. El bloqueo mecánico es el método más seguro para mantener la carga.
Un acumulador almacena presión hidráulica. Esta presión hidráulica constituye energía potencial que puede convertirse en energía útil (caudal y presión).
Los acumuladores pueden clasificarse en acumuladores de carga por gravedad, acumuladores de carga por resorte y acumuladores de fluido/gas. Difieren en la forma en que el acumulador mantiene la fuerza de trabajo sobre el aceite almacenado.
Un acumulador de carga por gravedad utiliza el peso de un objeto pesado que actúa sobre un pistón o émbolo para mantener la fuerza de trabajo sobre el aceite almacenado. El peso puede fabricarse con cualquier material denso —hierro, hormigón o incluso agua—. Los acumuladores de carga por gravedad suelen ser muy grandes, llegando a contener cientos de galones. Sirven simultáneamente a múltiples sistemas hidráulicos y se utilizan en laminadoras y sistemas hidráulicos centrales.
La característica deseable de un acumulador de carga por gravedad es que almacena aceite a una presión relativamente constante: ya sea que el depósito esté lleno o casi vacío, la presión almacenada permanece esencialmente invariable. Esto se debe a que la fuerza que actúa sobre el aceite es la gravedad (el peso), que es constante; independientemente de la cantidad de aceite presente en el acumulador, la fuerza aplicada sigue siendo la misma.
Una característica indeseable de los acumuladores cargados por gravedad es la generación de golpes de presión. Cuando un acumulador cargado por gravedad se detiene bruscamente durante una salida de flujo rápido, la inercia del peso pesado genera picos de presión significativos en el sistema. Esto puede provocar fugas en tuberías y accesorios, así como fatiga del metal que conduce a una falla prematura de los componentes.
Figura 8-6: Acumulador cargado por gravedad. El peso constante produce una presión constante independientemente del volumen de aceite. Se utiliza en grandes sistemas industriales, como las instalaciones hidráulicas de plantas siderúrgicas.
Un acumulador accionado por resorte utiliza un resorte que actúa sobre un pistón para mantener una fuerza sobre el aceite almacenado. Los acumuladores accionados por resorte suelen ser más pequeños que los de tipo por gravedad y almacenan unos pocos galones. Normalmente alimentan un único sistema hidráulico y operan generalmente a baja presión. Cuando el aceite a presión entra en el acumulador accionado por resorte, la presión del aceite almacenado depende de cuánto se comprima el resorte. Cuando el pistón se desplaza hacia arriba y comprime el resorte 10 pulgadas (25,4 cm), la presión almacenada es mayor que cuando el resorte se comprime 4 pulgadas (10,2 cm).
Para evitar que el aceite que se filtra se acumule en la cavidad del resorte, esta cavidad dispone de un orificio de drenaje para que la fuga se evacue. Los acumuladores con resorte no deben drenar externamente hacia el depósito, ya que esto provocaría la formación de espuma en el aceite. Independientemente de que el extremo del tubo de drenaje se encuentre por encima o por debajo del nivel del fluido en el depósito, el acumulador siempre generará espuma durante su funcionamiento: cuando el acumulador suministra caudal rápidamente, el aceite situado por encima del pistón no puede seguir el movimiento del pistón, lo que crea un vacío parcial en la cavidad del resorte y provoca la separación de aire del aceite. Al recargar el acumulador, el pistón asciende, empujando el aceite cargado de aire de vuelta al depósito. Las burbujas de aire en el depósito son indeseables; por tanto, los acumuladores con resorte normalmente no drenan externamente.
En los acumuladores con resorte que disponen de drenaje externo de la cavidad del resorte, si la junta del pistón se desgasta, es necesario prestar atención inmediata. Sin una reparación oportuna, podría ser necesario realizar una limpieza.
Figura 8-7: Acumulador con resorte. La fuerza del resorte —y, por tanto, la presión almacenada— aumenta a medida que el pistón se desplaza hacia arriba. Se utiliza en sistemas pequeños de baja presión.
El acumulador líquido/gas es el tipo más utilizado en los sistemas hidráulicos industriales. Emplea gas comprimido para mantener la fuerza de trabajo sobre el aceite almacenado.
SEGURIDAD: En los sistemas industriales que utilizan acumuladores líquido/gas, siempre debe emplearse gas nitrógeno seco. Nunca utilice aire comprimido, ya que las mezclas de vapor de gas/aceite son explosivas.
Los acumuladores líquido/gas se clasifican en tipo pistón, tipo diafragma y tipo membrana, según el dispositivo utilizado para separar el gas del aceite.
Un acumulador de tipo pistón consta de un cilindro y un pistón móvil equipado con anillos de sellado elásticos. El espacio superior del pistón está lleno de gas comprimido. Cuando se introduce aceite en el cilindro, el gas se comprime. Al descargar aceite del acumulador, la presión del gas disminuye. Una vez que todo el aceite ha sido descargado, el pistón alcanza el final de su carrera y tapona el puerto de salida, manteniendo el gas dentro del acumulador.
Un acumulador de tipo diafragma es una esfera formada al unir mediante tornillos dos semiesferas metálicas. El espacio interno está dividido por un diafragma de caucho sintético: la cámara superior está llena de gas. Cuando el aceite a presión entra en la otra cámara, el gas se comprime. Una vez que todo el aceite ha sido descargado, el diafragma cubre el puerto de salida y mantiene el gas dentro del acumulador; el diafragma no será expulsado más allá de su espesor.
Un acumulador de tipo vejiga consta de una carcasa metálica y una vejiga interna de caucho sintético. La vejiga se llena con gas. Cuando el aceite entra en la carcasa, el gas de la vejiga se comprime y el aceite fluye hacia fuera de la carcasa. Cuando todo el aceite ha sido descargado, la presión del gas intenta empujar la vejiga a través del orificio de salida; sin embargo, cuando la vejiga entra en contacto con la válvula de asiento en la salida, el aceite dentro de la carcasa queda automáticamente sellado.
Figura 8-8: Tres tipos de acumuladores fluido/gas. Todos utilizan nitrógeno comprimido para almacenar energía hidráulica. El tipo de pistón (arriba), el tipo de diafragma (centro) y el tipo de vejiga (abajo) difieren en la forma en que se separan el gas y el aceite.
Los acumuladores pueden desempeñar varias funciones en los sistemas hidráulicos: suministrar caudal, mantener la presión y absorber impactos.
El suministro de caudal es una de las aplicaciones de un acumulador. Un acumulador cargado constituye una fuente de energía potencial hidráulica. Cuando el sistema requiere un caudal mayor del que la bomba puede suministrar, la energía almacenada en el acumulador puede utilizarse para generar caudal en el sistema. Por ejemplo, si una máquina está diseñada de modo que su tiempo real de trabajo sea muy breve durante su ciclo de operación, una bomba de pequeño desplazamiento puede cargar el acumulador durante un cierto tiempo. Cuando la máquina entra en funcionamiento, la válvula direccional cambia a la posición de trabajo y el acumulador suministra inmediatamente aceite a presión al actuador según sea necesario. Este método de utilizar el acumulador junto con una bomba pequeña permite almacenar potencia pico; es decir, sustituye el caudal/potencia elevados de una bomba/motor grande en un corto periodo de tiempo por una bomba/motor pequeña cuya potencia media se extiende a lo largo de un periodo más prolongado.
Los acumuladores pueden utilizarse para mantener la presión. Cuando la bomba/motor está suministrando caudal a otras partes del sistema, un acumulador puede mantener la presión en una rama del circuito.
Cuando el sistema requiere que el cilindro de sujeción A retroceda, el cilindro de sujeción B debe mantener la presión. Al cambiar la válvula direccional A, la presión en la bomba hidráulica y en las líneas del cilindro A disminuye rápidamente, mientras que el cilindro B se mantiene mediante el acumulador, que ya ha almacenado suficiente aceite a presión para compensar las fugas en las líneas del cilindro B.
En otra aplicación, un cilindro de trabajo situado cerca de un horno experimenta una alta temperatura ambiente que provoca la expansión térmica del aceite. El acumulador absorbe el aumento de volumen y mantiene la presión en un nivel relativamente constante. Sin el acumulador, el aumento de presión en las líneas sería incontrolado y podría provocar la rotura de los alojamientos de los componentes, tuberías o conexiones.
Figura 8-10: Acumulador para mantenimiento de presión. (Arriba) Mantiene la presión en una rama del circuito mientras la bomba alimenta otra. (Abajo) Absorbe los cambios de volumen debidos a la expansión térmica del aceite cerca de fuentes de calor.
Los acumuladores de fluido/gas también pueden utilizarse para absorber las sobrecargas del sistema. Las sobrecargas en un sistema hidráulico pueden deberse a la inercia de una carga conectada a un cilindro o motor, o bien a la interrupción súbita del caudal o al cambio rápido de dirección de una válvula, lo que genera sobrecargas por la inercia del fluido. Un acumulador instalado en el circuito puede absorber parte de dicha sobrecarga y evitar que se propague por todo el sistema.
Las fuerzas mecánicas externas también pueden generar sobrecargas hidráulicas. Una carga conectada a un cilindro hidráulico con tendencia al retroceso empuja el pistón hacia atrás, provocando una sobrecarga hidráulica. Un acumulador colocado en la línea del cilindro, si está cargado correctamente, ayuda a reducir el efecto de la sobrecarga. Si está cargado incorrectamente, también puede causar sobrepresión.
Dado que los acumuladores de fluido/gas utilizan gas comprimido para almacenar presión de aceite, las propiedades del gas afectan el rendimiento del acumulador. Cuando se carga un acumulador de fluido/gas, el gas se comprime y su temperatura aumenta. A presión constante, el gas caliente ocupa más espacio que el gas más frío.
El proceso isotérmico describe el estado de funcionamiento del acumulador cuando la temperatura del gas se mantiene constante. Durante la carga, una operación isotérmica significa que el gas se comprime con suficiente lentitud como para que todo el calor generado por la compresión se disipe completamente. El proceso adiabático describe el estado de funcionamiento del acumulador cuando la temperatura del gas cambia. Durante la carga, una operación adiabática significa que el gas se comprime tan rápidamente que todo el calor se retiene.
Para un acumulador de fluido/gas cargado a la misma presión, el proceso isotérmico almacena más aceite que el proceso adiabático.
Ejemplo numérico: Un acumulador de pistón inicialmente tiene una presión de gas de 500 psi (34,48 bar) y una temperatura de 70 °F (21 °C). Si se carga hasta 1.000 psi (68,97 bar) mediante un proceso adiabático (rápido), la temperatura y la presión aumentan conjuntamente. A 1.000 psi (68,97 bar), el aceite deja de entrar; la temperatura es de 150 °F (65,6 °C) y el acumulador almacena 135 in³ (2.215,65 cm³) de aceite. Si la carga es isotérmica (lenta), la temperatura se mantiene constante en 70 °F (21 °C) durante todo el proceso; a 1.000 psi (68,97 bar) el aceite deja de entrar y el acumulador almacena 150 in³ (2.458,5 cm³) de aceite.
Figura 8-12: Carga isotérmica frente a adiabática. La carga lenta (isotérmica) almacena más aceite que la carga rápida (adiabática) a la misma presión final, porque la temperatura se mantiene más baja y el gas ocupa menos volumen.
Durante la descarga de aceite, el gas se expande y se enfría. A presión constante, el gas más frío ocupa menos espacio que el gas más caliente. En la práctica, el funcionamiento del acumulador es generalmente adiabático, no isotérmico. En las siguientes secciones, la preocupación principal no es cuánto aceite puede almacenar el acumulador, sino más bien cuánto aceite expulsa antes de que la presión descienda a un nivel inferior, lo cual está fuertemente influenciado por la presión de precarga.
Cuando un acumulador está completamente vacío de aceite, la presión del gas introducida en el acumulador de fluido/gas es la presión de precarga. Esta presión afecta significativamente el volumen efectivo y el rendimiento de absorción de impactos del acumulador.
Los acumuladores de fluido/gas utilizados para generar caudal del sistema o mantener la presión suelen operar entre la presión de trabajo máxima y la mínima. Cuando está completamente cargado con aceite, el acumulador alcanza la presión de trabajo máxima. Cuando se necesita, la presión de trabajo disminuye y el acumulador suministra aceite hasta una presión mínima inferior. El volumen de aceite que el acumulador suministra entre la presión de trabajo máxima y la mínima es el volumen efectivo.
La presión de precarga afecta al volumen efectivo. Ejemplo: un acumulador de fluido/gas de 231 in³ (3 786 cm³) en un sistema utiliza una bomba pequeña para cargar aceite hasta la presión del sistema de 2 000 psi (137,9 bar). Para suministrar caudal, se permite que la presión descienda hasta 1 500 psi (103,4 bar). La presión de precarga elegida determina la cantidad de aceite que el acumulador aporta al sistema.
Según la tabla de rendimiento, un acumulador de 231 in³ (3.786 cm³) con una precarga de 100 psi (6,89 bar) puede almacenar 210 in³ (3.441,9 cm³) de aceite a una carga isotérmica de 1.000 psi (límite superior = valores isotérmicos). A 1.500 psi (103,4 bar), almacena 202 in³ (3.310,8 cm³), entregando 8 in³ (131 cm³) entre ambas presiones. Este acumulador con baja precarga almacena una gran cantidad de aceite, pero entrega muy poca cantidad.
Al aumentar la precarga a 1.000 psi (68,96 bar), el acumulador almacena 93 in³ (1.524,3 cm³) a 2.000 psi (137,9 bar) y 59,5 in³ (975 cm³) a 1.500 psi (103,4 bar), entregando 33,5 in³ (594,1 cm³). La mayor precarga almacena menos aceite, pero entrega mucho más. Con una precarga de 1.400 psi (96,6 bar), el aceite almacenado es mínimo, pero el aceite entregado es máximo.
Figura 8-13: Tabla de rendimiento del acumulador (capacidad de 231 in³). Una mayor presión de precarga entrega más aceite por ciclo entre unos límites de presión dados, pero almacena menos aceite en total. Seleccione la precarga según el volumen efectivo requerido, no según la capacidad total.
La salida de volumen efectivo de un acumulador debe controlarse mediante el caudal. Para el mantenimiento de la presión, el caudal controlado se determina por las fugas que deben compensarse. En los acumuladores utilizados para suministrar aceite a presión, cuando la válvula direccional aguas abajo cambia de posición, la salida de volumen efectivo es demasiado rápida. Por esta razón, estos acumuladores suelen incorporar válvulas de control de caudal y válvulas de retención de derivación en sus puertos de entrada/salida.
Cuando un acumulador de fluido/gas se utiliza como amortiguador de impactos, su precarga generalmente se ajusta ligeramente por encima de la presión máxima de trabajo en el circuito (ajustada aproximadamente a 100 psi / 6,896 bar por encima de la presión máxima establecida por la válvula de alivio). Si la presión máxima de trabajo está regulada por la válvula de alivio, la precarga puede ajustarse aproximadamente a 100 psi por encima del valor de ajuste de dicha válvula.
La presión de precarga de un acumulador de fluido/gas afecta su capacidad de absorción de impactos. En un sistema hidráulico, el impacto se produce por fuerzas mecánicas externas aplicadas sobre un cilindro o motor que provocan un aumento rápido de la presión, o por la inercia del fluido cuando una válvula hidráulica se cierra bruscamente.
El acumulador puede absorber la parte del aceite bajo presión de impacto que es capaz de comprimir y transferir. Una línea equipada con un acumulador se vuelve compresible por encima de una determinada presión. Si la presión de precarga del acumulador es demasiado baja, ya ha almacenado cierta cantidad de aceite antes de que llegue el impacto, por lo que solo puede absorber 4 in³ (65,6 cm³). Si la presión de precarga es de 2500 psi (172,4 bar) —demasiado alta—, la presión aumenta hasta casi 2800 psi (193 bar) antes de absorber 4 in³. En los amortiguadores de impacto, la presión de precarga es extremadamente importante.
Un acumulador de fluido/gas se carga con gas a la presión de precarga adecuada una sola vez. Esto significa que la misma precarga no puede mantenerse indefinidamente. Cuando el acumulador está en funcionamiento, el gas comprimido se filtra a través de la válvula de gas —posiblemente debido a un fallo de la válvula de gas o a un sellado deficiente, o bien a un problema de asentamiento del núcleo cónico de la válvula en su asiento. Además, la presión de gas disminuye gradualmente durante la descarga de aceite en los acumuladores de vejiga y de diafragma —esto suele ocurrir de forma catastrófica, provocando la rotura del material sintético de caucho del diafragma. En los acumuladores de pistón, durante el proceso de descarga, el gas cargado puede escapar por las juntas desgastadas desde la zona del pistón. La pérdida gradual de la precarga puede indicar un acumulador de tipo pistón con cierto grado de desgaste.
La presión correcta de precarga es fundamental para el rendimiento del acumulador de fluido/gas, por lo que debe comprobarse periódicamente. Para verificar la presión de precarga se necesita un dispositivo de carga equipado con un manómetro. Este dispositivo consta principalmente de una pinza de carga, una válvula de purga y un manómetro.
Procedimiento de comprobación: descargar todo el aceite del acumulador y retirar la tapa protectora (normalmente ubicada en la válvula de gas en la parte superior). Con la palanca de la pinza completamente retirada, comprobar que la válvula de purga está cerrada. Conectar la pinza de carga a la válvula de gas del acumulador, apretar la tuerca alada de la pinza y asegurar una conexión fiable con la válvula de gas. Enroscar el tornillo de la pinza hasta que el núcleo de la válvula de gas del acumulador quede completamente comprimido; leer la presión indicada en el manómetro: esta es la presión de precarga del acumulador.
Si la precarga es correcta, gire la manija del portabrocas hacia afuera para cerrar la válvula de gas del acumulador, abra la válvula de purga para despresurizar el dispositivo de carga, afloje la tuerca alada del portabrocas, retire el dispositivo del acumulador e instale nuevamente la tapa protectora de la válvula de gas.
Si la precarga es demasiado alta, abra la válvula de purga para liberar la presión excesiva. Si es necesario aumentar la precarga, primero retire el mango del mandril para cerrar la válvula de gas del acumulador, abra la válvula de purga para despresurizar el dispositivo de carga, luego cierre la válvula de purga y conecte el dispositivo de carga a un cilindro de nitrógeno. Gire el mango del mandril hacia adentro para presionar completamente el núcleo de la válvula de gas del acumulador, abra la válvula del cilindro de nitrógeno para permitir que el gas entre lentamente en el acumulador. Cuando el manómetro indique la presión deseada, cierre la válvula de gas. Una vez que el manómetro muestre la precarga correcta, cierre la válvula del cilindro de nitrógeno, retire el mango del mandril para cerrar la válvula de gas del acumulador, abra la válvula de purga y, a continuación, desconecte el tubo flexible de carga y el dispositivo de carga.
Figura 8-15: Verificación y ajuste de la precarga del acumulador. (Arriba) Sellos del pistón desgastados provocan una pérdida gradual de la precarga. (Abajo) Kit estándar de carga con nitrógeno: siempre utilice nitrógeno seco, nunca aire comprimido.
En un circuito hidráulico típico con acumulador, cuando el acumulador está completamente cargado y ninguna parte del sistema está en funcionamiento, el caudal de la bomba/motor debe descargarse al depósito a la presión más baja posible. En el circuito mostrado, se utiliza una válvula de descarga para dicha descarga. Una vez que el acumulador alcanza la presión de ajuste de la válvula de descarga, esta se abre y desvía el caudal de la bomba al depósito.
Normalmente este tipo de descarga solo puede mantenerse durante unos pocos segundos, ya que siempre existe alguna fuga aguas abajo de la válvula de retención. El acumulador debe compensar dicha fuga —la presión disminuye gradualmente—, la válvula de descarga se cierra progresivamente y la abertura hacia el depósito se va reduciendo cada vez más, hasta que la presión del acumulador cae por debajo de la presión de apertura de la válvula. A medida que la válvula se cierra, la bomba/motor debe desarrollar mayor potencia para recargar el acumulador hasta la presión de ajuste de la válvula de descarga.
Para garantizar que la bomba/motor esté completamente descargada antes de recargar el acumulador, se puede utilizar un interruptor de presión. En el circuito, el interruptor de presión detecta la presión del acumulador y envía una señal eléctrica de conmutación en un punto de presión establecido. La señal eléctrica va a una válvula solenoide bidireccional normalmente cerrada; esta válvula solenoide puede controlar una válvula de alivio pilotada para descargar. Cuando el acumulador alcanza la presión ajustada en el interruptor de presión, el relé envía una señal a la válvula solenoide para descargar la válvula de alivio y derivar el caudal de la bomba/motor hacia el depósito a través de dicha válvula de alivio.
Figura 8-16: Circuitos de descarga del acumulador. (Arriba) Válvula de descarga simple: descarga al depósito cuando el acumulador alcanza la presión ajustada, pero tiende a cíclicar. (Abajo) Interruptor de presión con válvula de alivio pilotada: garantiza una descarga completa y un control preciso del margen de presión.
Después de que el acumulador haya sido cargado, una válvula hidráulica de descarga por diferencia de presión puede sustituir al interruptor de presión y a la válvula solenoide para liberar la válvula de alivio y descargar la bomba/motor. La válvula hidráulica de descarga por diferencia de presión es una válvula hidráulica diseñada específicamente para aplicaciones con acumuladores. Como su nombre indica, esta válvula utiliza una diferencia de presión para descargar la bomba/motor.
La válvula hidráulica de descarga por diferencia de presión está compuesta por una válvula de alivio pilotada, una válvula de retención y un pistón diferencial, todo integrado en un único cuerpo de válvula. El cuerpo de la válvula dispone de tres orificios: orificio de presión, orificio de retorno y orificio de acumulador.
En el interior de la válvula de descarga de presión diferencial, la válvula de retención y la válvula de alivio pilotada funcionan normalmente. El aceite de salida de la bomba puede cargar el acumulador a través de la válvula de retención. El pistón diferencial se sitúa frente al vástago de la válvula de alivio pilotada y puede moverse libremente dentro de su cilindro. Ambos extremos del pistón están sometidos a áreas iguales de presión. Cuando el acumulador está cargándose, la presión en ambos lados del pistón es prácticamente igual (despreciando la caída de presión a través de la válvula de retención), por lo que el pistón no se mueve. Cuando la presión sobre el vástago de la válvula piloto es suficientemente alta, el vástago piloto se desplaza de su asiento; como ya se conoce, este desplazamiento piloto puede restringir la presión en la cámara del resorte de la válvula principal. Dado que la cámara del resorte de la válvula principal y uno de los extremos del pistón diferencial están sometidos a presión restringida, el pistón se desplaza hacia el vástago de la válvula piloto, empujando completamente dicho vástago fuera de su asiento, lo que libera efectivamente la presión de control en la cámara del resorte del vástago principal, descargando así la válvula de alivio y la bomba/motor. Simultáneamente, la válvula de retención se cierra, impidiendo que el aceite del acumulador se descargue a través de la válvula de alivio.
El área del pistón diferencial expuesta a la presión es un 15 % mayor que el área del vástago de la válvula piloto. Dado que la fuerza = presión × área, la fuerza que mantiene el vástago de la válvula piloto separado de su asiento es un 15 % mayor que la fuerza que levanta dicho vástago. Esto significa que el resorte debe recibir una fuerza superior en un 15 % procedente de otra fuente para volver a asentar el vástago de la válvula piloto — o bien la presión del sistema debe disminuir un 15 % antes de que el vástago de la válvula piloto pueda volver a asentarse.
Esto garantiza que la válvula de descarga por diferencia de presión mantenga la bomba/motor en estado descargado tras la carga del acumulador hasta que la presión descienda un porcentaje fijo —normalmente aproximadamente un 15 % del valor de ajuste de la válvula piloto. Por ejemplo, si la válvula piloto está ajustada a 1.000 psi (69 bar), la descarga se produce entre 1.000 psi (69 bar) y 850 psi (59 bar); si la válvula piloto está ajustada a 2.000 psi (138 bar), el rango de descarga es de 2.000 psi (138 bar) a 1.700 psi (117 bar).
En cualquier aplicación, para que la energía hidráulica realice un trabajo útil, debe convertirse en energía mecánica. Los cilindros hidráulicos convierten la energía hidráulica en movimiento mecánico lineal.
Un cilindro hidráulico consta de un cuerpo cilíndrico (camisa), un pistón móvil con anillos de sellado flexibles conectados a una varilla del pistón y dos tapas extremas. Las tapas extremas pueden ser roscadas, de brida, estampadas o soldadas al cuerpo cilíndrico. En los cilindros hidráulicos industriales es común utilizar conexiones atornilladas en el extremo de la varilla. Cuando la varilla del pistón se desplaza, se utiliza un kit de sellos para varilla de pistón o un anillo guía desmontable que orienta y soporta dicha varilla.
El extremo con la varilla del pistón se denomina «extremo de varilla»; el otro extremo, sin varilla, se denomina «extremo ciego». Los orificios de entrada y salida están ubicados en las tapas del extremo de varilla y del extremo ciego.
Para un funcionamiento adecuado, el pistón y la junta de guía del vástago del cilindro hidráulico deben disponer de juntas herméticas fiables. Las juntas más comunes utilizadas en los pistones de cilindros hidráulicos son juntas labiales, anillos de pistón de fundición gris o unidades de junta de simple o doble dirección. Los materiales y componentes de las juntas deben verificarse para garantizar su compatibilidad con el fluido de trabajo y las condiciones operativas.
La junta multicapa del vástago del pistón es un tipo eficaz de junta para el vástago del pistón, compuesta por una junta principal con una superficie interna de sellado en forma de labio, un limpiador que mantiene contacto continuo con la superficie del vástago del pistón durante el funcionamiento y retira el aceite de trabajo de dicha superficie. La junta secundaria contra el polvo recoge el aceite residual dejado por la junta principal y, durante la retracción del vástago del pistón, elimina cualquier materia extraña adherida al vástago del pistón.
Como se describió anteriormente, el aceite acumulado en la cavidad entre el sello principal y el sello contra polvo puede retornar al cilindro durante la carrera de retracción; esto es normal. Sin embargo, si la carrera del cilindro es particularmente larga (10 pies / 3,05 m o más), el aceite acumulado en la cavidad del sello podría ser suficiente para superar la capacidad del sello del vástago del pistón. En esta situación y cuando hay exceso de aceite en la cavidad del sello, la cavidad del sello del vástago del pistón debe disponer de una conexión de drenaje externa.
Figura 8-18: Detalles de la construcción del cilindro. La tapa del extremo del vástago contiene el conjunto del sello del vástago del pistón. En los cilindros de larga carrera, se añade un orificio de drenaje para evitar que el aceite sobrecargue el sello.
Cuando la energía hidráulica impulsa al pistón del cilindro hasta el final de su carrera (el final del recorrido del cilindro), la inercia del aceite se convierte en un choque —el denominado «choque hidráulico». Si dicha energía es lo suficientemente grande, este choque puede dañar los cilindros hidráulicos.
Para proteger los cilindros hidráulicos de impactos excesivos, se pueden instalar dispositivos amortiguadores. Estos dispositivos pueden reducir la velocidad del pistón del cilindro cerca del final de su recorrido. Los dispositivos amortiguadores se pueden instalar en uno u otro extremo, o en ambos extremos, de un cilindro hidráulico.
Un dispositivo amortiguador consta de una válvula de aguja reguladora del caudal y una punta amortiguadora instalada en el extremo ciego del pistón, así como de una camisa amortiguadora montada sobre la varilla del pistón. Estos dispositivos actúan como tapones en cada extremo.
A medida que el pistón del cilindro hidráulico se acerca al final de su carrera, la punta amortiguadora o el manguito amortiguador obstruyen la salida normal de aceite. Esto obliga al aceite a fluir únicamente a través de la válvula de aguja. Parte del aceite a presión, ajustado en la válvula de alivio, escapa a través de la válvula de aguja. El caudal restante que pasa por la válvula de aguja determina la tasa de desaceleración del cilindro. El ajuste de la válvula de aguja determina la tasa de desaceleración del pistón. En la carrera de retorno, el flujo entra al cilindro a través de una válvula de retención simple (no mostrada), lo que permite sortear la válvula de aguja, de modo que la velocidad en sentido inverso no se ve afectada.
En ocasiones, la longitud de carrera de un cilindro hidráulico debe limitarse mediante un control externo. Al instalar un tornillo de tope que puede atornillarse y desatornillarse en el cuerpo del cilindro, la carrera puede preajustarse. Cualquier tipo de regulador de carrera debe verificarse conforme a los requisitos relativos a la fuerza de detención, colisión, impacto y efectos dimensionales.
Figura 8-19: Amortiguadores de cilindro, ajustadores de carrera, estilos de montaje y tipos de carga. Los amortiguadores protegen el cilindro al final de la carrera; el estilo de montaje determina qué tan bien puede soportar el cilindro su carga.
Los cilindros hidráulicos tienen muchos estilos de montaje, entre ellos: bridas, soportes oscilantes (trunnions), soportes laterales con orejas, tornillos en línea central, anillos dobles con orejas, varillas de unión (tie-rods) y montajes soldados. Los montajes con oreja central o los montajes soldados son diseños muy adecuados, ya que generan una mínima desalineación durante el funcionamiento del cilindro.
Los cilindros hidráulicos pueden convertir energía hidráulica en movimiento mecánico rectilíneo o lineal. Sin embargo, debido a la selección de vínculos mecánicos, los cilindros también pueden proporcionar muchos tipos diferentes de movimiento mecánico.
Los cilindros hidráulicos pueden mover muchos tipos diferentes de carga en numerosas aplicaciones. En general, las cargas empujadas por la varilla del pistón se denominan cargas de empuje; las cargas tiradas por la varilla del pistón se denominan cargas de tracción.
Un tubo de detención es una funda metálica maciza montada sobre la varilla del pistón. Cuando la varilla del pistón de un cilindro de gran carrera está completamente extendida, el tubo de detención separa al pistón y a la funda guía una distancia determinada. La funda guía de la varilla del pistón es un cojinete que soporta la varilla del pistón durante el funcionamiento del cilindro. Está diseñada para soportar una carga determinada. Además de actuar como eje, la funda guía de la varilla del pistón constituye también un punto de aplicación de carga sobre dicha varilla. En cilindros de gran carrera conectados a cargas, la varilla del pistón sin una guía rígida tiende a flexionarse hacia abajo cuando está completamente extendida, o bien puede producirse flexión en la propia funda guía, generando cargas laterales que dañan la funda guía de la varilla del pistón.
La función del tubo de detención consiste en separar al pistón y a la funda guía una distancia determinada cuando la varilla del pistón está completamente extendida, reduciendo así la carga sobre la funda guía de la varilla del pistón.
Los cilindros hidráulicos existen en muchos tipos. A continuación se enumeran algunos de los tipos más comunes; además, aparecerán en determinados circuitos de aplicación en lecciones posteriores.
Figura 8-20 Tipos de cilindros hidráulicos. Cada tipo está diseñado para una aplicación específica: telescópico para recorridos largos en espacios reducidos, en tándem para alta fuerza con diámetro de cilindro limitado y de doble vástago para fuerza/velocidad iguales en ambas direcciones.
El tipo más común en la hidráulica industrial es el cilindro de doble efecto de un solo vástago. Para este tipo, las principales consideraciones son el caudal máximo permitido (gpm) y la presión máxima permitida (psi), así como la fuerza mecánica resultante y el movimiento del vástago del pistón.
El área del pistón y el área efectiva del pistón se analizan normalmente en los cilindros de doble efecto de un solo vástago. El área grande del pistón corresponde a la sección transversal completa del pistón expuesta a la presión en el extremo ciego del cilindro (lado sin vástago). El área pequeña efectiva (área anular) es el área del pistón expuesta a la presión en el lado del vástago, ya que el vástago ocupa parte del área del pistón. Por lo tanto, el área pequeña efectiva suele ser menor que el área grande.
La velocidad de extensión de la varilla del pistón del cilindro hidráulico está determinada por la rapidez con la que el fluido llena la cámara ciega del cilindro. La velocidad de la varilla del pistón se expresa comúnmente en pies/minuto o metros/minuto:
Velocidad de la varilla (pies/min) = Caudal (gpm) × 19,25 / Área del pistón (pulg²)
* Velocidad de la varilla (m/s) = Caudal (L/min) × 0,167 / Área del pistón (cm²)
* Si se calcula en m/s y el resultado es inferior a 0,1 m/s, exprese el resultado en mm/s.
Ejemplo: un cilindro con un área de pistón de 10 pulg² (64,5 cm²) recibe un caudal de 5 gpm (18,95 L/min). Velocidad de la varilla = (5 × 19,25) / 10 = 9,63 pies/min (49 mm/s). Con el doble de caudal (10 gpm / 37,9 L/min), la velocidad de la varilla se duplica hasta 19,25 pies/min (97,33 mm/s).
Durante la retracción de la varilla del pistón, el caudal entra por el extremo de la varilla. A igual caudal de entrada, la velocidad de retracción es mayor que la velocidad de extensión; utilice en la fórmula el área menor (anular) del pistón.
Ejemplo: un caudal de 10 gpm (38 l/min) entra en el extremo del vástago de un cilindro con un área grande de 10 in² (65 cm²) y un área pequeña de 8 in² (52 cm²). Velocidad de retracción = (10 × 19,25) / 8 = 24,06 ft/min (0,12 m/s).
Velocidad del vástago (ft/min) = Caudal (gpm) × 19,25 / Área pequeña (in²)
Velocidad del vástago (m/s) = Caudal (L/min) × 0,167 / Área pequeña (cm²)
Con el mismo caudal de entrada, un cilindro de doble efecto con vástago simple se retrae más rápido de lo que se extiende.
Durante la retracción, el caudal entra por el extremo del vástago y sale por el extremo ciego. El caudal de descarga es mayor que el caudal de entrada; puede calcularse con la misma fórmula que para gpm (l/min), pero utilizando el área del pistón grande. Ejemplo: 10 gpm entrando por el extremo del vástago a una velocidad de 24,06 ft/min: caudal de salida = (24,06 × 10) / 19,25 = 12,5 gpm (46 L/min).
Como se muestra, la fuerza generada por un cilindro hidráulico es una función de la presión hidráulica que actúa sobre el área del pistón del cilindro. Si un cilindro específico necesita producir una fuerza de salida máxima superior a la actual, suele bastar con elevar la presión a un nivel proporcional. En algunas situaciones, la presión del sistema y el tamaño del cilindro no permiten instalar un cilindro de mayores dimensiones; en tales casos, un cilindro en tándem puede resolver el problema.
Un cilindro en tándem consta de dos o más cilindros conectados en serie. Las varillas del pistón están unidas entre sí para formar una única varilla de pistón común. Las juntas de estanqueidad de la varilla del pistón entre los cilindros permiten que cada cilindro funcione de doble efecto. Cuando el tamaño del cilindro está limitado por el espacio disponible y las dimensiones de la máquina, aunque la presión generada por la bomba/motor sea relativamente baja, se puede obtener la misma fuerza mecánica de salida.
Ejemplo: la instalación de la máquina más grande permite un área de pistón de 10 in² (64,5 cm²). La presión máxima necesaria para superar la resistencia de carga es únicamente de 500 psi (34,48 bar). Al aplicar una presión adicional de 500 psi (34,48 bar) sobre el lado del área efectiva de 8 in² (51,6 cm²), con presión de retorno, se genera una fuerza de 781 psi (53,86 bar). En un circuito en tándem con dos cilindros, cada uno sometido a 500 psi (34,48 bar) y con un área de 10 in² y un área efectiva de 8 in², la salida combinada es mucho mayor.
FÓRMULAS CLAVE – CAPÍTULO 8
|
Formulario |
Ecuación |
Notas |
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Velocidad de extensión del vástago |
v = Q × 19,25 / A_grande |
Q en gpm, A en in², v en ft/min |
|
Velocidad de retracción del vástago |
v = Q × 19,25 / A_pequeña |
Utilice el área anular (pequeña) |
|
Velocidad del vástago (SI) |
v = Q × 0,167 / A |
Q en L/min, A en cm², v en m/s |
|
Descarga del extremo ciego |
Q_salida = v × A_grande / 19,25 |
Más flujo sale que entra durante la retracción |
|
Fuerza del cilindro |
F = P × A |
F en libras, P en psi, A en pulg² |
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