Hidráulica Electrohidráulica

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1 Hidráulica Electrohidráulica Fundamentos Manual de estudio A B M1 P T M2 T B P A Festo Didactic es

2 Nº de artículo: Actualización: 08/2013 Autores: Renate Aheimer, Christine Löffler, Dieter Merkle, Georg Prede, Klaus Rupp, Dieter Scholz, Burkhard Schrader Redacción Frank Ebel Gráficos: Doris Schwarzenberger Layout: 10/2013, Frank Ebel Festo Didactic GmbH & Co. KG, D Denkendorf, Alemania, 2013 Internet: Sin nuestra expresa autorización, queda terminantemente prohibida la reproducción total o parcial de este documento, así como su uso indebido y/o su exhibición o comunicación a terceros. De los infractores se exigirá el correspondiente resarcimiento de daños y perjuicios. Quedan reservados todos los derechos inherentes, en especial los de patentes, de modelos registrados y estéticos.

3 Contenido Prólogo 10 1 Funciones de un equipo hidráulico Qué significa hidráulica? Sistemas hidráulicos estacionarios Sistemas hidráulicos móviles Características de la hidráulica 13 2 Fundamentos físicos de la hidráulica Presión Propagación de la presión Propagación de la fuerza Multiplicador de recorrido Multiplicador de presión Caudal Ecuación de continuidad Medición de la presión Medición de temperatura Medición del caudal Tipos de flujo Fricción, calor, caída de presión Energía y potencia Energía Potencia Cavitación Zonas de estrangulación 38 3 Fluidos a presión Funciones de los fluidos a presión Tipos de fluidos a presión Propiedades y requisitos Viscosidad 43 4 Componentes de un alimentador de energía Accionamiento Bomba Acoplamiento Depósito Filtro Filtro de retorno 59 Festo Didactic GmbH & Co. KG

4 Índice Filtro de aspiración Filtro de presión Lugar de montaje de los filtros Filtración en caudal secundario Indicadores de saturación Determinación de la presión diferencial de un filtro de presión Unidad de refrigeración Calefacción Acumulador hidráulico Construcción y funcionamiento Acumulador de émbolo Acumulador de diafragma Acumulador de vejiga Normas de seguridad Sistemas de seguridad 73 5 Actuadores Cilindro hidráulico Cilindros de simple efecto Cilindros de doble efecto Amortiguación en las posiciones finales Juntas Tipos de montaje Escape Datos característicos Resistencia al pandeo Selección de un cilindro Motores hidráulicos 85 6 Tipos y valores característicos de válvulas hidráulicas Valores característicos de válvulas Fuerza de accionamiento Construcción de cilindros de simple efecto Válvulas de asiento Válvulas de corredera Solapamiento de conmutación Flancos de mando 94 7 Válvulas reguladoras de presión Válvulas limitadoras de presión Válvulas reductoras de presión 97 4 Festo Didactic GmbH & Co. KG

5 Índice 8 Válvulas distribuidoras Funciones Tipos Tipos de válvulas distribuidoras Tipos de conexiones de válvulas distribuidoras Datos de rendimiento de electroválvulas de 4/3 vías Tipos de accionamiento de válvulas distribuidoras Válvulas distribuidoras de accionamiento manual y mecánico Válvulas de vías accionadas eléctricamente Interrupción de la alimentación de energía y rotura de cables en válvulas distribuidoras accionadas eléctricamente Válvulas de 2/2 vías Válvula de leva de 2/2 vías Válvulas de 3/2 vías Electroválvula de 3/2 vías de accionamiento directo, con reposición por muelle Válvula de 4/2 vías Posiciones intermedias Válvula de 4/2 vías de palanca, con reposición por muelle Electroválvula biestable de 4/2 vías, con enclavamiento Válvula de 4/3 vías Electroválvula de 4/3 vías, centrado por muelle, centro cerrado Significado de la posición central Servopilotaje de una válvula distribuidora Electroválvula servopilotada de 4/3 vías Comparación entre electroválvulas servopilotadas y electroválvulas de accionamiento directo _ Válvulas de antirretorno Válvula de antirretorno simple Válvula de antirretorno desbloqueable Válvula de antirretorno doble desbloqueable Válvulas de caudal Válvulas con tramos o puntos de estrangulación Válvula de estrangulación y antirretorno Válvulas reguladoras de caudal Válvulas proporcionales Construcción y funcionamiento de un electroimán proporcional Construcción de un electroimán proporcional Funcionamiento de un electroimán proporcional Accionamiento de válvulas reguladoras de presión, válvulas reguladoras de caudal y válvulas distribuidoras Regulación de la posición del inducido 134 Festo Didactic GmbH & Co. KG

6 Índice 11.2 Construcción y funcionamiento de válvulas proporcionales reguladoras de presión Válvula limitadora de presión Válvula reductora de presión Construcción y funcionamiento de válvulas proporcionales reguladoras de caudal y de válvulas distribuidoras Válvulas proporcionales, reguladoras de caudal Válvula posicionadora, de accionamiento directo Válvula posicionadora servopilotada Ventajas y desventajas de válvulas proporcionales servopilotadas Tipos de válvulas proporcionales Accesorios Tubos flexibles y rígidos Tuberías flexibles Tubos rígidos Placas base Válvulas de escape Manómetros Manómetro con resorte tubular (manómetro de Bourdon) Manómetros de cápsula o de membrana Manómetro de émbolo Sensores de presión Caudalímetros Caudalímetro Fundamentos de electrotécnica Corriente continua y corriente alterna Ley de Ohm Conductor eléctrico Resistencia eléctrica Tensión en la fuente Potencia eléctrica Funcionamiento de un electroimán Construcción de un electroimán Utilización de electroimanes Resistencia inductiva con tensión alterna Resistencia inductiva con tensión continua Funcionamiento de un condensador eléctrico Funcionamiento de un diodo Festo Didactic GmbH & Co. KG

7 Índice 13.7 Mediciones en un circuito eléctrico Definición: medir Indicaciones de seguridad Forma de proceder al efectuar mediciones en un circuito eléctrico Medición de tensión Medición de intensidad Medición de resistencia Fuentes de errores en mediciones realizadas en un circuito eléctrico Componentes eléctricos Unidad de conexión a la red Unidades eléctricas de entrada Contacto normalmente abierto Contacto normalmente cerrado Contacto de conmutación Sensores Interruptores de posición final Detectores de proximidad Presostato Relé y contactor Relé Contactor Control lógico programable Construcción y funcionamiento de un PLC Estructura completa de la unidad de mando por señales Electroimanes Supresión de arco en electroválvulas Descripción de secuencias de trabajo de máquinas y equipos Diagramas de funciones Ámbito de aplicación del diagrama de funciones Diagrama espacio-pasos Descripción de secuencias mediante GRAFCET según EN Principio básico de GRAFCET Pasos Condición de transición Acciones Selección de secuencias Retornos y saltos Estructuración de esquemas GRAFCET 188 Festo Didactic GmbH & Co. KG

8 Índice 16 Estructura de los esquemas de circuitos Esquema de distribución hidráulico Distribución de los símbolos en un esquema de distribución hidráulico Posición de cilindros y de válvulas distribuidoras Código de identificación de componentes Informaciones técnicas Esquema eléctrico Esquema de circuitos eléctricos de un sistema de control electrohidráulico Identificación de componentes Tabla de elementos de conmutación Contactos y sensores activados Esquema de conexión de bornes Estructura de un esquema de conexiones mediante bornes Cableado de un sistema de control electrohidráulico Medidas de seguridad en los mandos electrohidráulicos Peligros y medidas de protección El efecto de la corriente eléctrica en seres humanos El efecto de la corriente eléctrica La resistencia eléctrica del ser humano Factores que inciden en el peligro de accidentes Medidas de protección contra accidentes ocasionados por corriente eléctrica Protección contra contacto directo Conexión a tierra Bajo voltaje de protección Panel de mando y sistemas de aviso Interruptor de red Parada de emergencia Elementos de mando de un sistema de control electrohidráulico Protección de sistemas eléctricos frente a influencias del entorno Identificación de los tipos de protección Principios de seguridad para instalaciones electrohidráulicas Configuración de un sistema de control electrohidráulico Puesta en funcionamiento de un sistema electrohidráulico Mantenimiento y reparación de un sistema electrohidráulico Festo Didactic GmbH & Co. KG

9 Índice 18 Símbolos Símbolos de componentes hidráulicos Símbolos de bombas y motores hidráulicos Símbolos de válvulas Símbolos de válvulas distribuidoras Símbolos de tipos de accionamiento Símbolos de válvulas de presión Símbolos de válvulas de caudal Símbolos de válvulas de antirretorno y cierre Símbolos de cilindros Símbolos de otros componentes Aparatos de medición Símbolos de componentes eléctricos Símbolos correspondientes a funciones básicas Símbolos de actuadores electromecánicos Símbolos de relés y contactores Símbolos de sensores 226 Normas 227 Índice de conceptos 228 Festo Didactic GmbH & Co. KG

10 Prólogo La hidráulica es la rama de la física que se encarga del estudio de las propiedades de los fluidos. El tema central del presente manual es la generación de fuerzas y movimientos mediante fluidos. Los fluidos son el medio transmisor. La hidráulica industrial, que es la que tratamos aquí, también se conoce como oleohidráulica. En numerosos sectores de la automatización industrial se aprovecha con mucho éxito la hidráulica y electrohidráulica. Por ejemplo, en todo el mundo se utilizan máquinas de procesamiento de madera, máquinas herramienta, equipos de procesos continuos, prensas, máquinas de procesamiento de materiales sintéticos y sistemas de transporte que funcionan con sistemas de control electrohidráulicos. Pero también los equipos hidráulicos móviles con sistemas de control electrohidráulicos tienen múltiples usos, por ejemplo en vehículos agrarios, vehículos utilizados para la construcción de carreteras o vehículos municipales. En el presente manual se explican, a modo de introducción al tema, la construcción y el funcionamiento de los componentes utilizados en sistemas hidráulicos y electrohidráulicos. En los próximos capítulos se describen procesos, se explica la estructura de esquemas de distribución y se hace hincapié en medidas de protección y seguridad. Además, el progreso tecnológico y las exigencias más estrictas han tenido como consecuencia una evidente modificación de los sistemas de control. Buenos ejemplos de ello son las redes de bus y la hidráulica proporcional. La estrecha relación existente entre la técnica de fluidos, la microelectrónica, la técnica de sensores y la informática redunda en numerosas soluciones innovadoras en el sector de los actuadores y sistemas de control hidráulicos. Invitamos a todos los lectores del presente manual a expresar sugerencias y críticas, con el fin de mejorar o completar su contenido. Por favor, dirija los comentarios correspondientes a did@de.festo o, por correo normal, a Festo Didactic GmbH & Co. KG, Postfach , D Esslingen, Alemania. Los autores 10 Festo Didactic GmbH & Co. KG

11 1 Funciones de un equipo hidráulico 1.1 Qué significa hidráulica? Los sistemas hidráulicos se utilizan en centros de producción y fabricación modernos. Por hidráulica se entiende la generación de fuerzas y movimientos mediante fluidos sometidos a presión. Se entiende que los fluidos a presión hacen las veces de medio de transmisión de energía. Las múltiples aplicaciones de la hidráulica en sistemas automatizados demuestran su gran importancia. Básicamente se distingue entre Sistemas hidráulicos estacionarios sistemas hidráulicos móviles. Los sistemas hidráulicos móviles pueden transportarse (por ejemplo, sobre ruedas o cadenas), a diferencia de los sistemas hidráulicos estacionarios, instalados fijamente en un determinado lugar. Los sistemas hidráulicos móviles se caracterizan usualmente por el hecho de tener válvulas que se accionan manualmente. En el caso de los sistemas hidráulicos estacionarios, las válvulas por lo general son de accionamiento electromagnético. Cabe mencionar además los sectores de la hidráulica utilizada en barcos, en la minería y en aeroplanos. La hidráulica en la aeronáutica tiene características muy especiales, pues deben considerarse numerosos criterios de seguridad de gran importancia. En las próximas páginas se ofrecen algunos ejemplos de aplicaciones típicas, con el fin de explicar las tareas que pueden asumir los sistemas hidráulicos. 1.2 Sistemas hidráulicos estacionarios Los sistemas hidráulicos estacionarios tienen especial importancia en los siguientes sectores: Máquinas de producción y máquinas de montaje Máquinas de fundición por inyección Líneas de transporte Líneas de laminación Equipos elevadores y de transporte Ascensores Prensas Una de las aplicaciones típicas de los sistemas hidráulicos estacionarios es el sector de fabricación de máquinas herramienta. Festo Didactic GmbH & Co. KG

12 1 Funciones de un equipo hidráulico Fig. 1.1: torno y prensa con depósito superior En las modernas máquinas de control numérico (CNC), las herramientas y las piezas se fijan y sujetan hidráulicamente. También los movimientos de avance y del husillo de accionamiento pueden controlarse de modo hidráulico. 1.3 Sistemas hidráulicos móviles Aplicaciones de sistemas hidráulicos móviles: Máquinas de construcción Volquetes, brazos mecánicos, plataformas de carga Máquinas elevadoras y transportadoras Máquinas del sector agrario La hidráulica se utiliza de muchas maneras en el sector de las máquinas utilizadas en obras de construcción. Por ejemplo, en el caso de las excavadoras, todos los movimientos funcionales (elevar, sujetar, girar, etc.) son hidráulicos y, además, también su motor suele ser hidráulico. La ejecución de los movimientos rectos está a cargo de actuadores lineales (cilindros), mientras que los movimientos giratorios se realizan con unidades de accionamiento giratorio (motores, actuadores giratorios). 12 Festo Didactic GmbH & Co. KG

13 1 Funciones de un equipo hidráulico Fig. 1.2: sistema de hidráulica móvil, excavadora 1.4 Características de la hidráulica Ventajas de la hidráulica Transmisión de grandes fuerzas mediante componentes pequeños. Es decir, alto rendimiento relativo. Posicionamiento preciso. Avance desde cero con máxima carga. Funcionamiento suave y conmutación suave. Buenas cualidades de control y regulación. Desventajas de la hidráulica Contaminación ambiental debido a fugas de aceite (peligro de incendio, peligro de accidente). Sensibilidad frente a la suciedad. Peligro de presiones muy elevadas (chorro cortante). Sensible a cambios de temperatura (cambios de viscosidad). Rendimiento desfavorable. Buena capacidad de disipación térmica. Movimientos homogéneos, independientes de la carga, ya que los líquidos apenas se comprimen. Tabla 1.1: hidráulica ventajas y desventajas Además de la hidráulica, existen otras tecnologías que se utilizan para generar movimientos y señales aprovechados en la técnica de control: Mecánica Electricidad Neumática Festo Didactic GmbH & Co. KG

14 1 Funciones de un equipo hidráulico Debe tenerse en cuenta que cada tecnología ofrece ventajas en determinadas aplicaciones. En la Tabla 1.2 se ofrece una comparación entre datos típicos correspondientes a las tres tecnologías más difundidas (electricidad, neumática e hidráulica). Electricidad Hidráulica Neumática Fugas Suciedad Sin desventajas, exceptuando la pérdida de energía Influencias medioambientales Peligro de explosión en determinadas zonas; sensible a cambios de temperatura Sensible a cambios de temperatura, peligro de incendio en caso de fugas A prueba de explosiones, sensible a cambios de temperatura Acumulación de energía Difícil, únicamente en Limitada, con ayuda de gases Sencilla cantidades pequeñas con baterías Transporte de energía Ilimitado, con pérdida de energía Hasta 100 m Velocidad de flujo: v = 2 hasta 6 m/s Hasta 1000 m Velocidad de flujo: v = 20 hasta 40 m/s Velocidad de trabajo v = 0,5 m/s v = 1,5 m/s Coste energético Bajo Alto Muy alto Movimiento lineal Complicado y costoso, pequeñas fuerzas, complicada regulación de la velocidad Sencillo mediante cilindros, buena regulación de la velocidad, fuerzas muy grandes Sencillo mediante cilindro, fuerzas limitadas, la velocidad depende considerablemente de la carga Movimiento giratorio Sencillo y de alto rendimiento Sencillo, grandes momentos de giro, bajas revoluciones Sencillo, bajo rendimiento, altas revoluciones Precisión de posicionamiento Precisión de ±0,05 mm o superior Dependiendo de la sofisticación del sistema, posibilidad de alcanzar niveles de precisión de ±0,05 mm Sin cambios de carga, posible hasta ±0.1 mm Rigidez Posibilidad de obtener muy buenos valores de rigidez mediante módulos mecánicos intermedios Gran rigidez, ya que el aceite casi no se comprime Deficiente, porque el aire se comprime Fuerzas No admite sobrecargas, deficiente grado de eficiencia debido a componentes mecánicos conectados detrás, posibilidad de obtener grandes fuerzas Resistente a sobrecargas; con altas presiones de hasta 600 bar en el sistema, es posible obtener fuerzas muy grandes (F < 3000 kn) Resistente a sobrecargas; la presión del aire y el diámetro del cilindro limitan la fuerza (F < 30 kn hasta 6 bar) Tabla 1.2: comparación entre electricidad, hidráulica y neumática 14 Festo Didactic GmbH & Co. KG