Práctica.: Circuito con cilindros en paralelo En algunas ocasiones se disponen actuadores en paralelo gobernados por sendas válvulas distribuidoras y alimentados por una única bomba. Para que cada cilindro pueda trabajar de forma independiente es necesario que las válvulas distribuidoras tengan una posición central con las vías cerradas. Para que cuando los cilindros estén parados no se desvíe el aceite de la bomba a la presión de la válvula de seguridad se suele habilitar una válvula (0V) que desvía el caudal sin presión a tanque. 3000.00 N 4000.00 N D 3 mm d 4 mm 0.00 Bar 0.00 Bar D 40 mm d 8 mm S S V V Y Y Y Y 0V 0Y 0V P 80 bar tara 0.00 Bar P Q 4,64 l/min máx Qué sucede si los dos cilindros se accionan a la vez? Se desplazan a la vez? Se mueve primero uno y luego otro? Razonar la respuesta. La presión necesaria en cada cilindro para que se venza la fuerza y comience a moverse es: Cilindro : p Cilindro : p F F 4 F π D 4 F π D 4 3.000 π 0,03 4 4.000 π 0,04 [ N] [ m ] [ N] [ m ] 0 0 5 5 [ bar ] 37 bar Pa [ bar ] 3 bar Pa
En primer lugar se desplazará el cilindro una vez que la presión en el circuito alcance un valor de 3 bar. Cuando el cilindro llegue al final de carrera la presión aumentará hasta llegar a 37 bar y en ese momento se desplazará el cilindro. Salida del cilindro P Salida del cilindro P Nota : La presión en el lado del émbolo del cilindro que se está moviendo es mayor que la que se ha calculado debido a la contrapresión que existe al desalojar el aceite del lado del vástago. Nota : La presión en el lado del émbolo del cilindro que no se está moviendo es mayor que la correspondiente del cilindro que sí se está moviendo. La presión en el cilindro que no se mueve es la misma que en la bifurcación (punto P) porque no hay flujo de aceite entre ellos. Sin embargo, entre la bifurcación y el cilindro que se mueve sí existe flujo y se producen pérdidas de carga.
La función conjunta que realizan las válvulas 0V y 0V en el circuito se puede efectuar con una Válvula de descarga a vacío. Se trata de una válvula limitadora de presión precomandada que puede descomprimirse cuando se requiera y desviar así el aceite de la bomba sin presión hacia el tanque. Válvula principal Válvula limitadora precomandada Válvula de descarga a vacío Explicar brevemente el funcionamiento de cada una de las válvulas. La válvula limitadora precomandada se emplea en circuitos con bombas que proporcionan caudales elevados. Para que esos caudales no produzcan pérdidas de carga excesivas se hace que los conductos internos de la válvula tengan unos diámetros relativamente grandes. Para bloquear el paso de fluido en estos conductos se necesitaría unas válvulas de asiento con una gran área, lo que haría que el esfuerzo necesario para realizar el cierre fuera enorme. Los muelles que realizarían este cierre serían excesivamente grandes. Por esta razón las válvulas limitadoras precomandadas tienen una válvula limitadora pequeña que al alcanzarse la presión deseada se abre y da la consigna de apertura a la válvula principal, mucho más grande, que sólo necesita un muelle pequeño para realizar un cierre seguro. La válvula limitadora pequeña está comunicada con la vía de presión (P) mediante un pequeño orificio y cuando en ésta se alcanza la presión ajustada la válvula se abre y permite la circulación de un pequeño caudal entre las vías P y T. Este caudal provoca unas pérdidas de carga al pasar por el orificio que hace que exista una diferencia de presión entre las dos caras de la válvula principal. Esta diferencia de presión es suficiente para producir una apertura parcial de la válvula principal y el aceite se envía hacia el tanque a la presión ajustada. La válvula de descarga a vacío es una válvula limitadora precomandada que incorpora una válvula distribuidora. Cuando la válvula distribuidora abre el paso entre la vía de presión (B) y la de tanque (T) se produce el caudal de aceite entre ambas sin necesidad de que se abra la válvula limitadora pequeña. La presión en la parte superior de la válvula principal es pequeña pero menor que la de la parte inferior por las perdidas de carga en el orificio. De esta forma la válvula principal se abre completamente y el aceite se envía hacia el tanque con una presión pequeña. Cuando la válvula distribuidora cierra el paso entre la vía de presión (B) y la de tanque (T) la válvula funciona exactamente igual que la válvula limitadora de presión precomandada de la izquierda. 3
Práctica.: Circuito diferencial Laboratorio de Neumática y Oleohidráulica Se conoce como circuito diferencial a aquel que consigue que un cilindro tenga aproximadamente la misma velocidad de avance y retroceso. Para construir un circuito con esta característica es necesario que el cilindro utilizado sea diferencial, es decir, que la sección circular del émbolo sea aproximadamente el doble de la sección anular. La igualación de las velocidades se consigue realizando las conexiones entre el cilindro y la válvula distribuidora de la forma que se muestra en la figura siguiente: Con estas conexiones, al producirse la salida del vástago el caudal de aceite que va hacia el lado de sección circular es la suma del caudal proporcionado por la bomba (Q B ) y el desalojado por el lado del vástago (Q ). Comparar las velocidades de entrada y salida del vástago en el caso del circuito diferencial y el circuito normal. 4
La conexión realizada en el circuito diferencial hace que la relación que existe entre el caudal que proporciona la bomba (Q B ) y el desalojado por el lado del vástago (Q ) sea: v s Q + Q B Q Q Q B ϕ ( - ) l utilizarse un cilindro diferencial se cumple que φ, por lo que caso Q 0,96, por ser φ,04). Q B De lo anterior se deduce que en el caso de un circuito diferencial: Q Q (en este B ) La velocidad de salida del vástago es casi el doble que en el caso del circuito normal porque el caudal de aceite que llega al cilindro es prácticamente el doble. ) La velocidad de salida del vástago es casi igual que la velocidad de entrada: v e Q B Q v v s e Comparar las presiones que se producen en el cilindro en el movimiento de salida del vástago cuando se aplica una fuerza exterior de compresión de 5.000 N. Cuál es la fuerza máxima que se puede vencer en cada caso? 5
Debido a la conexión que se realiza en el circuito diferencial la contrapresión que existe en la salida del vástago es prácticamente igual que la presión de empuje; sólo son diferentes por las pérdidas de carga que existen en las tuberías. De lo anterior se deduce que en el caso de un circuito diferencial, en la salida del vástago: 3) Se puede considerar que el área neta sobre el que actúa la presión de empuje es el área del vástago. P P F P P P F F vástago En este caso: [ N] [ m ] [ bar ] 94 bar F 4 F 4 5.000 5 p 0 π d π 0,045 Pa vástago 4) l utilizarse un cilindro diferencial ( ) la presión de empuje necesaria para vencer una fuerza de compresión determinada es casi el doble que en el caso del circuito normal. Esto supone que para una presión máxima de trabajo del cilindro la fuerza máxima que se puede realizar con un circuito diferencial es casi la mitad que la que se puede realizar con un circuito normal. F Máx.difer. p vástago 60 0 5 π 0,045 4 m [ ] [ Pa] 5.447 [ N] F Máx.norm. p pistón 60 0 5 π 0,063 4 m [ ] [ Pa] 49.876 [ N] 6
Práctica.3: Circuito con bomba de paletas de cilindrada variable En el circuito hidráulico de la máquina dobladora de tubos se ha sustituido la bomba de engranajes internos de cilindrada constante por una bomba de paletas de cilindrada variable controlada por un regulador de presión. 50,7 cm 34,36 cm D 80 mm d 45 mm 40000.00 N CEITE ρ 830 kg/m3 ν 50 cst V 0 Dint 8mm L 3 m V Dint 8mm L 3 m Ptara 60 bar 0V Q (l/min) 4,5 P Cilindrada: 0 c.c/rev (máx.) Velocidad:.450 r.p.m. 08 5 P (bar) El regulador se ha ajustado de forma que cuando la presión de la bomba alcanza los 08 bar empieza a disminuir la excentricidad de la cámara de compresión y con ello disminuye la cilindrada. Cuando se alcanzan los 5 bar la cámara se centra completamente y la bomba mantiene dicha presión sin proporcionar caudal a la instalación. 7
La curva Q-P que tiene la bomba en este caso es una de las muchas que puede tener en función de la presión a la que se ajuste el regulador de presión. Este conjunto de curvas se representan en el catálogo como una zona sombreada que indica todos los posibles puntos de funcionamiento de la bomba. El conjunto de la bomba de cilindrada variable y el regulador de presión es sensiblemente más caro que una bomba de cilindrada constante, pero su rendimiento energético es mejor porque es capaz de proporcionar exactamente el caudal necesario para mover el cilindro a la velocidad deseada. demás es capaz de mantener la presión máxima de trabajo (cuando el cilindro llega al final de carrera o se bloquea) con un consumo de energía mucho menor. Salida del vástago Determinar la potencia realizada por el cilindro y la proporcionada por la bomba con fuerzas antagonistas de 40.000 y 45.000 N. Calcular la eficiencia energética del circuito hidráulico en ambos casos. 8
Fuerza de 40.000 N La velocidad del cilindro se obtiene con el caudal que llega al lado del émbolo: Q v,53 3 [ l ].000 cm [ min ] min l 60 s - 4,5 0 m 50,7[ cm ] s Como en el movimiento vence una fuerza de 40.000 N la potencia que realiza es: Cil F v 40.000 - [ N] 4,5 0 m.66 s La potencia que proporciona la bomba es el producto del caudal por la presión: B Q p,53 3 3 [ l ] m 5 0 [ min ] 08,4[ bar ] 0 [ Pa ].60 min l 60 s bar La eficiencia energética del circuito es el cociente entre la potencia realizada por el cilindro y la proporcionada por la bomba: η cilindro bomba.66.60 [ ] [ ] 0,73 73% 9
Fuerza de 45.000 N Siguiendo el mismo razonamiento que con la fuerza de 40.000 N: B Q v 0,9 Q p 0,9 Cil 3 [ l ] 000 cm [ min ] min l 60 s - 3,4 0 m 50,7[ cm ] s F v 45.000 - [ N] 3,4 0 m.535 3 3 5 [ l ] 0 [ m ] [ min ] 09,44[ bar ] 0 [ Pa ] 877 min η cilindro bomba l 60.535.877 s [ ] [ ] s 0,8 8% Comparar la eficiencia energética obtenida con la bomba de cilindrada variable con la que se obtiene con la bomba de cilindrada constante (ver soluciones de prácticas anteriores). Los datos de la solución del ejercicio 6. con una bomba de cilindrada constante eran: bar Fuerza de 40.000 N: η hid cilindro bomba.674.547 [ ] [ ] 0,66 66 % Fuerza de 45.000 N: η hid cilindro bomba.549.57 [ ] [ ] 0,6 60% Cuando se regula el caudal que llega al cilindro con la válvula estranguladora la bomba de cilindrada constante trabaja a la potencia máxima (P 0V Q B, casi const.) independientemente de la carga y del grado de cierre de la válvula. La bomba de cilindrada variable, sin embargo, lo hace a una potencia diferente en función de la 0
carga y el grado de cierre de la válvula, que siempre es menor que la de la bomba de cilindrada constante porque sólo proporciona el caudal exacto que llega al cilindro. Determinar a partir del gráfico del catálogo la potencia que consume la bomba cuando el cilindro llega al final de carrera y mantiene la presión de 5 bar sin proporcionar caudal en el circuito. Compararla con la que consumiría si fuera de cilindrada constante y proporcionara un caudal de 4 l/min con un rendimiento del 90%. En realidad esta bomba no sería adecuada para trabajar a 5 bar porque la presión máxima a la que el fabricante recomienda trabajar es 00 bar. No obstante, si se hace una extrapolación de la curva que proporciona el catálogo se obtiene que la potencia consumida a caudal nulo sería de un poco menos de k. Una bomba de caudal constante trabajando a 5 bar y proporcionando un caudal de 4 l/min con un rendimiento del 90% consumiría una potencia de: & 4 Q p η 3 3 [ l ] [ min/s] 0 [ m /l ] 5 [ bar ] min 60 0,9 0 bomba 5 Pa bar.98 Como se puede observar, el ahorro energético que se consigue con la bomba de cilindrada variable en el caso de que el cilindro se quede bloqueado es muy notable.
Práctica.4: Circuito para montaje y taladrado de dos piezas Se trata de un proceso de montaje de dos piezas a las que una vez montadas se les realiza un agujero. Dispuesta la primera pieza en un alojamiento de la mesa, se ubica la segunda pieza encima para que un cilindro () la aloje en el interior de la primera y produzca un apriete con una fuerza determinada. continuación un segundo cilindro () empuja un taladro que realiza el agujero a las dos piezas montadas. Montaje final Pieza Pieza El cilindro de apriete () tiene una carrera 00 mm. Mientras aloja la Pieza vence una fuerza pequeña hasta que el vástago recorre 40 mm. Entonces termina de alojar la pieza y realiza un apriete con una fuerza de 50 kgf. El cilindro que empuja el taladro () tiene también una carrera de 00 mm y tiene que vencer una fuerza de 000 N producida por el proceso de taladrado. 00 000 Fuerza (N) 800 600 400 Vacío Taladrado 00 0 0 0 40 60 80 00 Carrera (%)
Para producir el movimiento secuencial de los cilindros se utilizan sendas válvulas de secuencia (V3 y V4). La fuerza de apriete se regula por medio de una válvula reductora de presión (V). D 5 mm d mm D 5 mm d mm Cilindro priete Cilindro Taladro V P reg 0 bar V3 V4 P 0 bar P 0 bar tara tara P 30 bar tara 0V V Q,3 l/min máx P Comentar la evolución de la presión en el cilindro de apriete durante todo el proceso. 3
Cuando se acciona la válvula de gobierno V el cilindro de apriete () comienza a salir con la presión necesaria para vencer la contrapresión (,33 bar) y la fuerza precisa para introducir la Pieza en el alojamiento de la Pieza. Todo el caudal de la bomba llega al cilindro de apriete porque la presión producida en el proceso (6 bar) no es suficiente para abrir la válvula de secuencia V4 que permite el paso al otro cilindro. La válvula reductora de presión V está tarada a 0 bar y, como el cilindro sólo necesita unos 5 bar en su movimiento, se encuentra completamente abierta y no produce reducción de presión alguna. En el momento en que el cilindro de apriete introduce la Pieza y hace tope, la presión en él aumenta hasta que llega a 0 bar. En ese instante la válvula reductora de presión V entra en funcionamiento y mantiene aproximadamente la presión de 0 bar a la que ha sido regulada. La presión en el resto del circuito sigue aumentando pero la válvula se encarga de mantener los 0 bar en el cilindro de apriete. 4
Por supuesto, la presión se sigue manteniendo (aprox.) en el valor ajustado aún cuando el cilindro se desplaza y se produce el taladrado. Una vez terminado el proceso de taladrado se invierte la válvula V. El cilindro de apriete se descomprime por la válvula antirretorno pero no se mueve hasta que lo termina de hacer el cilindro del taladro, ya que éste se mueve con una presión menor que 0 bar y la válvula V3 no se abre. Cuando finalmente el cilindro de apriete retrocede lo hace con la presión necesaria para vencer la contrapresión. 5
Comentar la evolución de la presión en el cilindro que mueve el taladro desde que comienza a salir el vástago hasta que llega al final de carrera. Como se ha dicho anteriormente el cilindro que mueve el taladro () no empieza a moverse hasta que el cilindro de apriete hace tope y la válvula V4 se abre al alcanzarse los 0 bar en la instalación. l principio se desplaza con una presión baja (0,7 bar) porque trabaja en vacío, pero en el momento en el que la broca entra en contacto con la pieza la presión aumenta hasta el valor necesario para vencer la fuerza de 000 N (0,64 bar). Durante el taladrado la presión que existe en la entrada de la válvula de secuencia V4 es mayor que la presión a la que ha sido tarada. Se encuentra, por tanto, completamente abierta y no mantiene la presión tarada sino que permite el paso del aceite provocando una pérdida de carga. En el momento en que el cilindro llega a su fin de carrera la presión es la máxima ajustada por la válvula limitadora de presión, es decir, 30 bar. En el movimiento de retroceso la presión es pequeña puesto que únicamente se tiene que vencer la fuerza producida por la contrapresión. 6
Explicar las posiciones que va ocupando la corredera de la válvula reductora de presión en todo el proceso. Cuando el cilindro de apriete introduce la Pieza trabaja con una presión de 5, bar por lo que el muelle, apretado para aguantar una presión de 0 bar, empuja a la corredera y hace que esté completamente desplazada hacia la izquierda. El paso entre las vías P y está completamente libre y la vía T está taponada. En cuanto el cilindro hace tope la presión comienza a aumentar. Cuando llega a ser de 0 bar la corredera se desplaza hacia la derecha para cerrar el paso entre las vías P y. Como el cierre no se produce de forma instantánea, cierta cantidad de aceite pasa de P a en este lapso de tiempo, lo que produce que la presión en el cilindro (P ) sea mayor que 0 bar. Este exceso de presión hace que la corredera se desplace todavía más a la derecha y abra el paso entre las vías y T mientras mantiene el paso entre P y cerrado. El exceso de aceite en el cilindro se evacua a tanque hasta que la presión en es (prácticamente) la ajustada y la corredera se centra y cierra el paso entre las tres vías. La corredera se mantiene en esta posición mientras se realiza el taladrado ya que la presión que se produce en el circuito (P) está compensada en la válvula y no produce fuerza alguna sobre la corredera. Cuando se invierte la válvula V para realizar la vuelta a la posición inicial (P 0) la presión de 0 bar que se había mantenido en el cilindro de apriete desaparece porque el aceite se evacua a tanque por la válvula antirretorno dispuesta en paralelo. La corredera de la válvula se desplaza entonces completamente hacia la izquierda. 7