1. Hidráulica. En los modernos centros de producción y fabricación, se emplean los sistemas hidráulicos, estos producen fuerzas y movimientos mediante fluidos sometidos a presión. La gran cantidad de campos de aplicación es expresión de la importancia que asume la hidráulica en las modernas técnicas de automatización. Las aplicaciones hidráulicas son clasificadas básicamente en : Aplicaciones estacionarias y Aplicaciones móviles. Los campos de aplicación de la hidráulica móvil son los siguientes: Máquinas para la construcción. Volquetes, palas mecánicas, plataforma de carga. Sistemas de elevación y transporte. Máquinas para la agricultura. Características esquematizadas de un Equipo Hidráulico. Un sistema hidráulico esta constituido básicamente por dos partes, la partes de los mandos por señales y la parte operativa hidráulica. La parte de los mandos se encarga de activar las válvulas de la parte operativa hidráulica. Esta última parte está dividida en tres secciones. La parte de abastecimiento de energía contiene la bomba hidráulica con el motor y los componentes necesarios para el acondicionamiento del aceite. Automatización Industrial: Manuel Fuentes M. 1
La parte de control de la energía está conformada por las diversas válvulas, las que se encargan de controlar o regular la cantidad, la presión y la dirección del aceite. La parte de accionamiento incluye, según el caso, cilindros o motores hidráulicos. 1.1. Bomba y Unidad de Potencia (abastecimiento de energía). Se trata de los componentes que generan la energía hidráulica necesaria mediante transformación de la energía mecánica del motor. La bomba hidráulica es la componente principal de la unidad de abastecimiento de energía. Ella se encarga de aspirar el fluido hidráulico del deposito y lo transporta hacia los conductos del sistema hidráulico superando las resistencias existentes en él. La presión solamente se genera cuando una resistencia se opone al flujo del fluido. La unidad de abastecimiento de energía incluye frecuentemente un sistema de purificación del fluido sometido a presión. En el sistema hidráulico se producen impurezas debido a desgastes mecánicos, al calentamiento y envejecimiento del aceite y a influencias ambientales. Por lo tanto se influyen filtros en el circuito del aceite para eliminar las partículas de suciedad. El agua y los gases son también factores de interferencia, por lo que deben adoptarse medidas especiales para eliminarlos. Automatización Industrial: Manuel Fuentes M. 2
Adicionalmente se instalan sistemas de calefacción y de refrigeración con el fin de preparar al aceite, el grado que debe cumplir el sistema hidráulico en cuestión. El fluido Hidráulico. Este fluido es el medio de trabajo que transmite la energía disponible desde la unidad de abastecimiento de energía hacia las unidades de trabajo (cilindros o motores). Existen diversos fluidos con propiedades muy variadas. Las condiciones que debe cumplir el medio dependen de las funciones que debe cumplir el sistema hidráulico. Frecuentemente se utilizan medios de presión a base de aceites minerales que son denominados aceites hidráulicos. Automatización Industrial: Manuel Fuentes M. 3
Bomba de Engranajes con dentado interior. La función de esta bomba consiste en aspirar por un lado aceite y, por el otro, en desplazar el aceite. De este modo se produce un caudal para realizar un trabajo. La rueda dentada interior de este bomba es impulsada por un motor. Los dientes arrastran consigo la rueda dentada exterior, que gira en la misma dirección. El movimiento giratorio tiene como consecuencia que, de un lado, se separen los dientes generándose una depresión, produciéndose la consecuente aspiración del aceite. El aceite es transportado hacia el otro lado en los espacios entre los dientes. En este otro lado vuelven a engranar los dientes. De este modo se desplaza el aceite de las cámaras entre los dientes, con lo que se produce un caudal disponible para el sistema. 1.2. Conexiones Hidráulicas 1.3. Actuadores Hidráulicos. Automatización Industrial: Manuel Fuentes M. 4
Cilindros Hidráulicos (actuadores lineales). Los cilindros son elementos de trabajo que transforman la energía hidráulica en energía mecánica. Producen movimientos rectilíneos como consecuencia de la presión ejercida sobre la superficie del embolo móvil. Los cilindros se clasifican en: Cilindros de simple efecto: la presión del aceite provoca el movimiento en un solo sentido, lo que significa que también el movimiento de trabajo tiene un solo sentido. El embolo retrocede por efecto de una fuerza externa o por acción de un resorte. Cilindros de doble efecto: la presión del aceite actúa alternativamente en ambos sentidos, lo que significa que los movimientos de trabajo actúan en ambos sentidos. Automatización Industrial: Manuel Fuentes M. 5
Motores Hidráulicos (actuadores rotativos). Los motores hidráulicos, también llamados hidro_motores, al igual que los cilindros, son elementos de accionamiento controlados por válvulas. Los motores también transforman la energía hidráulica en energía mecánica, aunque con la diferencia que producen movimientos giratorios. Motor Hidráulico en Corte. Automatización Industrial: Manuel Fuentes M. 6
Motor Hidráulico montado en área de trabajo. Esquema de un motor hidráulico de engranajes. Automatización Industrial: Manuel Fuentes M. 7
1.4. Válvulas Direccionales Manuales. 1.4.1. Válvula de 2/2 vías. Las válvulas de 2/2 vías abren o cierran el paso del fluido. La válvula 2/2 tiene una conexión de trabajo (A), una conexión de presión (P) y otra para la conducción de fuga(l). el paso para el volumen de flujo puede abrirse o cerrarse. Un conducto de descarga que lleva hacia la conexión de fuga evita que se acumule presión en la cámara del muelle o del émbolo. 1.4.2. Válvula de 3/2 vías ( de asiento). Una válvula de 3/2 vías permite llevar el caudal de aceite hacia un elemento de trabajo o desviarlo desde ahí directamente hacia el deposito. La válvula de 3/2 vías está provista de una conexión de trabajo (A),de una conexión de presión (P) y de otra que lleva hacia el depósito (T). El caudal puede ser desviado desde la conexión de presión hacia la conexión de trabajo o desde la conexión de trabajo hacia la conexión del deposito. En cada caso está bloqueada la conexión restante. Automatización Industrial: Manuel Fuentes M. 8
1.4.3. Válvula de 3/2 vías ( de corredera). La válvula de 3/2 vías está provista de una conexión de trabajo (A), de una conexión de presión (P) y de otra que lleva hacia el depósito (T). El caudal puede ser desviado desde la conexión de presión hacia la conexión de trabajo o desde la conexión de trabajo hacia la conexión del depósito. En cada caso está bloqueada la conexión restante. Automatización Industrial: Manuel Fuentes M. 9
1.4.4. Válvula de 4/2 vías. Las válvulas de 4/2 vías permiten desviar la corriente de aceite alternativamente hacia dos conexiones de trabajo diferentes. La válvula de 4/2 vías posee dos conexiones de trabajo (A y B), una conexión de presión (P) y otra que lleva hacia el depósito (T). la conexión de presión siempre está conectada a una de las conexiones de trabajo. Al mismo tiempo, la segunda conexión de trabajo lleva hacia el depósito. A diferencia de las válvulas de tres émbolos, las de dos émbolos no necesitan una conexión para el aceite de fuga. La presión en la conexión del depósito actúa sobre la culata de la válvula. En consecuencia, es posible aplicar como máximo una presión de 50 bar en la conexión del depósito de esta válvula. 1.4.5. Válvula de 4/3 vías (conexión a depósito). Automatización Industrial: Manuel Fuentes M. 10
Según la estructura lógica de la distribución, las válvulas de 4/3 vías son válvulas de $/2 vias con una posición intermedia adicional. Esta posición intermedia puede ser de varias versiones diferentes. En el caso que se explica aquí, la posición irremedia conecta la conexión de presión (P) directamente con la conexión del depósito (T). en consecuencia, la bomba solo tiene que actuar en contra de la resistencia en la válvula, circunstancia que resulta favorable para el rendimiento. 1.4.6. Válvula de 4/3 vías ( posición intermedia bloqueada). En este caso, en la posición intermedia todas las conexiones están bloqueadas. Con excepción del paso de aceite de fuga, no existe unión entre las conexiones. La bomba actúa en contra de la presión del sistema, ajustada de la válvula limitadora de presión. Automatización Industrial: Manuel Fuentes M. 11
1.5. Control de Flujo. Válvula de antirretorno. La válvula de antirretorno se encarga de bloquear el caudal en una dirección y permite el flujo en la dirección contraria. Un elemento de cierre ( por lo general un cono o una esfera) es presionado contra una superficie de asiento por efecto de un muelle o resorte. El aceite bajo presión abre la válvula en la dirección del flujo separando al elemento de cierre de su asiento. Este tipo de válvula también funciona sin resorte. Dado que el cierre no debe producir fugas, estas válvulas suelen ser de asiento. Automatización Industrial: Manuel Fuentes M. 12
Válvula de Antirretorno desbloqueada hidráulicamente. Con una válvula de antirretorno desbloqueable puede abrirse el paso en la dirección bloqueada a través de la conexión del mando. La presión actúa sobre el émbolo de desbloqueo a través de la conexión de mando. En consecuencia, el elemento de cierre es separado de su asiento. De este modo, la válvula también permite el paso del caudal en la dirección bloqueada. Para que la operación de desbloqueo sea segura, es necesario que la superficie activa (Ak) del embolo de desbloqueo siempre sea mayor que la superficie activa del elemento de cierre (Ad). Válvula de Estrangulación con Antirretorno. La válvula de estrangulación con antirretorno regula el caudal en función de la carga o lo deja pasar casi sin presión, dependiendo de la dirección de la corriente. El caudal que va dirigido en dirección del bloqueo fluye a través de una zona de estrangulamiento regulable en la válvula, por lo que se produce una resistencia considerable. En la dirección contraria no se produce un estrangulamiento del caudal ya que la esfera incorporada en la válvula de estrangulación con antirretorno abre el paso. Al utilizar esta válvula solo se obtiene una reducción de la velocidad si es combinada con una válvula limitadora de presión o con una bomba regulable. La presión aumenta delante de la zona de estrangulación hasta que Automatización Industrial: Manuel Fuentes M. 13
se abre la VLP, con lo que una parte del caudal fluye hacia el depósito. En consecuencia, la corriente hacia la válvula permanece casi constante. La diferencia de presión entre A y B aumenta o disminuye en función de la carga proveniente del elemento consumidor, el caudal de paso varía correspondientemente. Las válvulas de estrangulamiento trabajan en función de la carga. Válvula reguladora de caudal. Las válvulas reguladoras de caudal tiene la función de procurar un caudal constante, independientemente de los cambios de presión que se produzcan en la entrada o en la salida de la válvula. Para mantener constante el caudal aunque varíen las cargas, deberán mantenerse constante la diferencia de presión, regulando el elemento de estrangulación. Con ese fin, el presostato modifica la resistencia en la zona de estrangulación en función de la carga en la entrada o la salida de la válvula. Las válvulas reguladoras de caudal solo deben funcionar en combinación con una válvula limitadora de presión (VLP). La corriente residual es desviada hacia el depósito a través de la VLP. Automatización Industrial: Manuel Fuentes M. 14
1.6. Control de Presión. La válvula limitadora de presión tiene la función, entre otras, de proteger al sistema hidráulico o a algún elemento de trabajo frente a presiones demasiado elevadas ( válvulas de seguridad). La presión en la entrada actúa sobre la superficie A de la válvula, originando una fuerza (F). en el momento en que esta fuerza es superior a la del resorte ( muelle), la válvula empieza a abrir. En el ejemplo de la figura, el vástago ha avanzado completamente. La totalidad del caudal de la bomba fluye hacia el depósito. Automatización Industrial: Manuel Fuentes M. 15
Válvula Limitadora de Presión, pilotaje externo. Esta válvula limitadora de presión guía la corriente según una presión regulada externamente en función de la fuerza del resorte sujeto al tornillo de ajuste. El paso de la conexión de presión hacia el depósito se mantiene cerrado mientras que no actúe sobre el émbolo de regulación. Sobre dicho émbolo se puede ejercer presión a través de a conexión de regulación X. en el momento en que la fuerza que actúa sobre el émbolo es superior a la fuerza del muelle incorporado en la válvula, el émbolo se desplaza dejando libre el paso. Automatización Industrial: Manuel Fuentes M. 16
Válvula reguladora de Presión Las válvulas reguladoras de presión tiene la finalidad de reducir la presión de entrada hasta un valor determinado. Estas válvulas son utilizadas correctamente solo en sistemas hidráulicos que trabajan con varias presiones. La presión de salida (A) en la válvula reguladora de presión atraviesa un conducto y actúa sobre la superficie de un émbolo ( AK) en contra de la fuerza de un muelle ajustable. Si aumenta la presión en la salida (A), se reduce el espacio de estrangulamiento, con lo que se provoca una caída de presión. La zona de estrangulamiento cierra totalmente cuando se alcaza la presión máxima que se haya ajustado previamente. En la entrada (P) se obtiene la presión que se ajustó en la válvula limitadora de presión. 1.7. Instrumentación. Automatización Industrial: Manuel Fuentes M. 17