Práctica 2: Cilindro de grúa

Transcripción

1 Práctica : Cilindro de grúa Una grúa de transporte de chatarra utiliza dos cilindros hidráulicos para mover sus brazos articulados. Se va a estudiar el circuito que sirve para accionar el cilindro que mueve el último brazo. Dicho cilindro tiene una carrera de un metro de longitud, trabaja continuamente a tracción y debe soportar una carga equivalente máxima de kg. Se deben contestar las preguntas planteadas en el cuadernillo con hojas en blanco que se entregará.

2 Circuito Se va a analizar el circuito hidráulico sin incluir ningún elemento que permita controlar la velocidad de desplazamiento del vástago. El circuito funciona con un aceite HLP6 alimentado por una bomba de engranajes internos (P) que es accionada por el motor de explosión de la grúa. A la salida de la bomba se sitúa la válvula de seguridad (0V). El control del movimiento del cilindro se realiza por medio de una válvula distribuidora /3 accionada eléctricamente (V). La válvula antirretorno con apertura hidráulica (V) permite mantener la posición del vástago en cualquier posición intermedia. La válvula de secuencia (V3) produce una contrapresión suficiente para sujetar las cargas exteriores en el movimiento de salida del vástago. Serie CDH D 80 mm d mm L m M 3000 kg A V3 TN 6 Ptara bar V V 0V Y3 Y Y 0Z 0V TN 0 Ptara bar.0 rpm P Bomba de Engranajes internos TN 3 Figura : Circuito de accionamiento del cilindro sin control de la velocidad. El circuito dispone además de un sistema de desvío directo del aceite hacia el tanque cuando el cilindro está parado. En esta situación el aceite es conducido directamente hacia el tanque a través de la válvula distribuidora 0V. Mediante este sistema el aceite se mantiene a una temperatura de trabajo cercana a 0 ºC.

3 Salida del vástago Anótense los valores siguientes una vez se haya realizado la mitad de la carrera: Presiones [Bar] Caudales [l/min] P Bomba 8,3 Q 6,83 P 7,3 Q 3,0 P, Q bomba 6,83 P V3,6 Los subíndices y se refieren a los lados de émbolo y vástago del cilindro respectivamente. Comprobar que se cumple el equilibrio de fuerzas en el cilindro. p A + (m g) p A p A 7,3 0 N 0,6 0 m 37 N p A, 0 N 3,36 0 m 30 N 37N + (3000 kg 9,8m ) 3 N 30 N s Determinar la velocidad del vástago y el tiempo que se necesita para realizar toda la carrera de salida. Q v A 6,83 [ ] 3 3 l/min [ s/min] 0 [ m /l ] 60 0,6 0 [ m] L t v 0, 6, s s 0, m s

4 Determinar la potencia consumida por la bomba (ver catálogo) y la potencia que proporciona ésta al circuito. La potencia proporcionada por la bomba al circuito oleohidráulico es: Q p 6,83 [ l ] Pa 3 3 [ s/min] 0 [ m /l ] 8,3 [ bar ] 0 3 min 60 prop. bar La potencia consumida por la bomba, que lógicamente es mayor que la que proporciona, puede calcularse de dos formas diferentes con los datos que proporciona el catálogo: - Utilizando la gráfica de Potencia de accionamiento. Entrando en ésta con el dato de la presión de la bomba, que es de 8,3 bar, se ve que se necesita algo menos de k de potencia de accionamiento, unos,8 k. La ventaja que tiene calcular la potencia de esta forma es que podemos hacerlo directamente, utilizando simplemente el dato de la presión a la que trabaja la bomba. La desventaja es que no se puede afinar mucho el valor debido a la escala de la gráfica. - Utilizando la gráfica de Rendimiento. Una vez calculada la potencia proporcionada por la bomba al circuito, la potencia consumida se puede determinar teniendo en cuenta el rendimiento de la bomba en la gráfica correspondiente. En este caso:

5 Como el rendimiento es cercano al 7 % la potencia consumida será: η 3 0,7 hidraulica acc 767 La ventaja de calcular la potencia consumida mediante este procedimiento es que permite obtener un valor más exacto, ya que la definición en la gráfica de rendimiento es mayor. La desventaja es que se necesita calcular primero la potencia proporcionada al circuito. Determinar de forma aproximada la presión a la que se produce la apertura de la válvula de secuencia V3 (ver catálogo). Si utilizamos los datos de caudal (3,0 l/min) y presión de tarado ( bar) obtenemos un punto de la curva característica de la válvula. Si trazamos una paralela a la recta correspondiente a una regulación máxima de 00 bar que pase por dicho punto se comprueba que la válvula se abre a una presión aproximada de bar. Cuál es la presión mínima a la que se debe tarar la válvula de secuencia V3 para que la carga no caiga durante la salida del vástago? Puede tararse la válvula a dicha presión? (ver catálogo) La presión a la que se ha tarado la válvula de secuencia V3 es mayor que la necesaria para sujetar la carga de 3000 kg en el movimiento de salida del vástago. Como resultado, la presión en el lado del émbolo (P ) es la necesaria para producir una fuerza que sumada a la de la carga equilibre la fuerza que provoca la contrapresión de bar originada por la válvula de secuencia V3. Si se disminuye P tarando la válvula V3 a una presión menor la presión P también disminuirá. Se debe evitar que se produzca succión en la cara del embolo del cilindro ya que se produciría cavitación. Por lo tanto, la presión P mínima admisible será de 0 bar manométricos. Planteando el equilibrio: (m g) p A

6 p 3000[ kg] 9,8 m m g A 3,36 0 s 86, 0 Pa 8,6 bar La válvula sí puede tararse a esta presión porque, según el catálogo, la presión mínima ajustable con el caudal que pasa por la válvula es de 0 bar. Cuál es la carga máxima que puede desplazarse en la carrera de salida con una presión de tarado de la válvula de secuencia V3 de bar? Qué sucedería si la carga fuera mayor? Como la contrapresión se mantiene constante, el aumentar la carga produce que la presión del lado del émbolo (P ) necesaria para equilibrar la fuerza de contrapresión sea menor. Al igual que antes, el límite está en evitar que se produzca succión en el lado del émbolo del cilindro, por lo que la presión P mínima admisible es de 0 bar manométricos. Planteando el equilibrio: p m A g 0 (m g) p A [ Pa] 3, m s 378 kg Se ha ignorado el hecho de que las pérdidas de carga hacen que la contrapresión sea algo mayor. De esta forma se está del lado de la seguridad. Si la carga fuera mayor se generaría succión en el lado del émbolo y se produciría cavitación. El funcionamiento sería completamente anómalo porque la carga tendería a caerse pero la depresión producida en la tubería de la bomba haría que no se pilotara la válvula antirretorno V y se cerrase. Retención de la carga en posiciones intermedias El circuito permite retener la carga en cualquier posición llevando la válvula direccional V a su posición centrada. En una de estas posiciones: Comprobar que se cumple el equilibrio de fuerzas en el cilindro. Presiones [Bar] Caudales [l/min] P Bomba 0,8 Q 0 P 0 Q 0 P 8,6 Q bomba 7, P V3 8,6 p A + (m g) p A p A 8,6 0 N 3,36 0 m m g 3000 s 99 N [ kg] 9,8 m 930 N

7 Qué sucedería si la carga exterior aumentara y provocara una presión mayor que la presión a la que se produce la apertura de la válvula de secuencia V3? Se caería la carga? La válvula de secuencia V3 abriría el paso pero la carga no se caería porque lo impediría la válvula antirretorno con apertura hidráulica V, que realiza el cierre con seguridad. Cuantificar el ahorro energético que produce el sistema de desvío directo de aceite a tanque en comparación con el desvío a través de la válvula de seguridad 0V. Supóngase que el rendimiento de la bomba trabajando a bar es del 60%. Para ver las condiciones (P y Q) en las que trabajaría la bomba evacuando todo el caudal por la válvula de seguridad 0V se puede llevar el vástago del cilindro a cualquiera de las posiciones extremas y apuntar los valores que se obtienen de la simulación. Se obtiene así que el caudal es de,9 l/min, mientras que la presión es de, bar. Por tanto, la potencia que proporciona al circuito es: [ ] [ ] [ ] l 0 3 Pa 3 s/min m /l, [ bar ] 0 88 prop. Q p,9 min 60 bar Si se observa la curva característica de rendimiento de la bomba para una presión de bar se obtiene un rendimiento aproximado de 9%, de forma que la energía consumida será de: η 88 0,9 prop. acc 968 Cuando funciona el sistema de desvío directo a tanque (pulsando PARAR) la bomba proporciona un caudal de 7, l/min y trabaja a una presión de 0,8 bar, que es debida a las pérdidas de carga producidas en los conductos y en la propia válvula 0V. En este caso el consumo de energía es: [ l ] Pa 3 3 [ s/min] 0 [ m /l ] 0,8 [ bar ] 0 63 prop. Q p 7, min 60 bar η 63 0,6 prop. acc 0 Se produce por tanto un ahorro de 977 y se evita además el calentamiento del aceite.

8 Entrada del vástago Anótense los valores siguientes cuando, después de que se ha producido la carrera de salida entera, se haya realizado la mitad de la carrera de entrada: Presiones [Bar] Caudales [l/min] P Bomba 9,66 Q 67,0 P,9 Q 6,08 P 89, P V3 89,67 Los subíndices y se refieren a los lados de émbolo y vástago del cilindro respectivamente. Comprobar que se cumple el equilibrio de fuerzas en el cilindro. p A + (3000 9,8) p A p A,9 0 N 0,6 0 m p A 89, 0 N 3,36 0 m N N N + (3000 9,8)N 308N 3666 N Determinar la velocidad del vástago y el tiempo que se necesita para realizar toda la carrera de entrada. Q v A 6,08 [ ] 3 3 l/min [ s/min] 0 [ m /l ] 60 3,36 0 [ m] L t v 0,,6 s s 0, m s Determinar la potencia consumida por la bomba (ver catálogo) y la potencia que proporciona ésta al circuito. La potencia proporcionada por la bomba al circuito oleohidráulico es: [ l ] Pa 3 3 [ s/min] 0 [ m /l ] 9,66 [ bar ] 0 76 hidraulica Q p 6,08 min 60 bar Si se utiliza la gráfica del rendimiento se obtiene que éste es de un 90%, por lo que la potencia de accionamiento es: η 76 0,9 hidraulica acc 7907

9 Si se utiliza directamente la gráfica de la potencia de accionamiento se comprueba que se obtiene la misma potencia. Cuál es la carga máxima que puede desplazarse en la carrera de entrada del vástago sin que se abra la válvula de seguridad 0V? Comprobarlo cambiando la carga. La presión de tarado de la válvula son bar. Para obtener la presión de apertura se debe acudir a la curva característica de la válvula. Por la gráfica se deduce que la válvula abrirá a unos 0 bar. Hay que tener en cuenta que el caudal que va a llegar en este caso al cilindro es prácticamente el mismo que llega con la carga de 3000 kg. En realidad será un poco más pequeño porque la bomba va a trabajar a una presión mayor. Por tanto, se puede suponer que las pérdidas de carga en las tuberías son las mismas: pbomba - pbomba - p 9,66 89, 3,bar De esta forma la presión en el lado del vástago será p 0-3,06,9 bar

10 Haciendo el equilibrio de fuerzas: p A + (m g) p A [ Pa] 3,36 0,9 0 [ ] 0, kg p A p A 06,9 0 Pa m g 9,8 m s