ESCUELAUNIVERSITARIAPOLITCNICA UNIBERTSITATE-ESKOLAPOLITEKNIKOA SAN SEBASTIN-DONOSTIA SISTEMAS NEUMTICOS Y OLEOHIDRULICOS Oleohidrulica IngenieraTcnicaIndustrial en Electrnica y Mecnica AlmandozBerrondo, Javier MongelosOquiena,Belen PellejeroSalaberria,Idoia reade Mecnicade Fluidos Setiembrede 2007 Noentiendes realmente algoamenos queseas capaz deexplicarselo atu abuela. AlbertEinstein(1879-1955) Laeducacincientficade losjveneses almenos tanimportante,quiza incluso ms, quelapropia investigacin. GlennTheodoreSeaborg(1912-1999) Elgenio es un uno por cientode inspiracin,y un noventaynueve por cientode transpiracin. ThomasAlvaEdison (1847-1931) INDICE 1. FUNDAMENTOS.................1 1.1 Clasificacin de la Oleohidrulica ....................3 1.2 Diferencias entre los diferentes tipos de Oleohidrulica...............5 1.3 Circuitos elementales ............6 1.4 Normativa .............8 2. PROPIEDADES DE LOSACEITES.....9 2.1 Tipos de aceites ..........15 3. ELGRUPOHIDRULICO.................................................................................................... ..............18 3.1 El tanque hidrulico.....................................................................................................................................18 3.2 Bombas hidrulicas........................................................................................................................ ........19 3.2.1 Bombas alternativas .................................................................................................... ..............20 3.2.2 Bombas rotativas.................................................................................................... ..............28 3.3 Vlvula de seguridad ........................................................................................................................ ........33 3.4 Filtros................................................................................ ..............................................................33 4. ACTUADORES ............................................................................................................................. ..40 4.1 Motores lineales (cilindros).................................................................................................................40 4.2 Motores de giro oscilante.................................................................................................................42 4.3 Motores rotativos de giro continuo...................................................................................................43 5. VLVULAS HIDRULICASY ACCESORIOS......................................................................45 5.1 Vlvulas direccionales o distribuidoras...................................................................................................45 5.2 Vlvulas de bloqueo....................................................................................... .........................................51 5.3 Vlvulas de presin........................................................................................................................ ........57 5.3.1 Vlvula limitadorasde presin.....................................................................................57 5.3.2 Cconectadorasy desconectadoras(vlvulas de secuencia) ......................................................60 5.3.3 Reductoras de presin...................................................................................................60 5.4 Vlvulas de caudal........................................................................................................................ ........63 5.4.1 Vlvulas reguladorasde caudal...................................................................................................64 5.4.2 Divisor de caudal .................................................................................................... ..............66 5.5 Acumuladores hidrulicos.................................................................................................... ..............67 5.5.1 Tipos de acumuladores......................................................................................... .........................69 5.5.2 Funcionamiento de un acumulador.....................................................................................71 5.5.3 Dimensionamiento de un acumulador.....................................................................................73 5.6 Multiplicadores de presin.................................................................................................... ..............75 5.7 Tcnicas de conexin ................................................................................................................................76 5.8 Otros accesorios........................................................................................................................ ........77 6. CIRCUITOSOLEOHIDRULICOS...................................................................................................79 6.1 Circuito diferencial......................................................................................................................... ......79 6.2 Circuito con dos actuadores en serie...................................................................................................81 6.3 Circuito con actuadores en paralelo...................................................................................................83 6.4 Circuito con grandes cargas a traccin...................................................................................................85 6.5 Control de la secuencia en dos cilindros...................................................................................................87 6.6 Prensa hidrulica........................................................................................................................ ........89 6.7 Taladrado con diferentes velocidades de avance................................................................................ .....92 6.8 Circuitos para un motor hidrulico................................................................................................. ..95 6.9 Circuito completo con la mayor parte de smbolos iso 12196-20........................................................98 7. HIDRULICAPROPORCIONAL Y SERVOHIDRULICA......................................................103 7.1 Vlvulas proporcionales................................................................................................... .............103 7.1.1 Control de las vlvulas proporcionales ............................................................................... ....105 7.1.2 Vlvulas proporcionalesdireccionales............................................................................... ....106 7.1.3 Vlvula proporcionalde caudal.................................................................................. ...............113 7.2 Servovlvulas....................................................................................................................... .......115 8. CLCULOSDE UN CIRCUITO HIDRULICO....................................................................120 8.1 Seleccin del cilindro....................................................................................................................... .......121 8.2 Vlvula distribuidora ....................................................................................................................... .......124 8.3 Tuberas............................................................................................................................. ...............126 8.4 Seleccin de la bomba .............................................................................................................................128 8.5 Vlvula de seguridad ...................................................................................... ........................................131 8.6 Acumulador hidrulico................................................................................................... .............132 8.7 Tanque......................................................... .........................................................................................136 8.8 Refrigerador............................................................................................................................. ...............136 APENDICE SIMBOLOGA..............A-1 BIBLIOGRAFA...........A-5 FUNDAMENTOS1 1. FUNDAMENTOS Laoleohidrulica debido asugrancampo deutilizacin enlaindustria y aladificultad de pronunciar una palabra tan larga, ha adoptado en ocasiones la denominacin ms ampliay quizs incorrecta dehidrulica; lolgico omscoherente sera quese le denominara "olelica", como le gustara a Groote, autor de buenos libros sobre el tema. Laoleohidrulicasedefinecomolatecnologaquetratadelaproduccin,transmisiny controldemovimientosyesfuerzospormediodelquidosapresin,principalmenteaceites, ayudados o no por elementos elctricos y electrnicos. Losaccionamientosrealizadosenlasmquinaspuedensermecnicos,elctricos, electrnicos,neumticosohidrulicos,cadaunodeloscualestienensusventajasysus inconvenientes, expuestos enelapartado 1.1delosapuntes deneumtica, habiendo detenerlos en cuenta para seleccionar el ms idneo en cada caso. Losaccionamientoshidrulicostienenventajassingulares,detalmaneraqueloshacen imprescindiblesenlaconstruccindegrannmerodemquinas,siendoutilizados fundamentalmenteenaquellastecnologasdondeserequierarealizarimportantesesfuerzos, principalmentelineales,yenlosqueseexijaaltaprecisin,detalmaneraqueeldesarrollode stas sin laoleohidrulica hubiera sido ms limitado, o por lo menos diferente. En la figura 1-1 se representan algunas aplicaciones caractersticas de la oleohidrulica. Figura 1-1. Aplicaciones de la Oleohidrulica. Loscampos deaplicacin delaoleohidrulica son mltiples pero sepueden concretar en dos:Oleohidrulicaestacionaria(mquinasherramientas,maquinariatextil,prensas,siderurgia, 2OLEOHIDRULICA industriadeplsticos,cementeras,minera,industriaymaquinariapesadaengeneral); Oleohidrulicamvil(maquinariadeobrasciviles,maquinariaagrcola,automviles,gras, ferrocarriles,armamento,naves,aeronaves..).Sucampodeaplicacin,enresumen,estdonde se requiera realizar esfuerzos importantes y/o precisos. Ello es debido, entre otras causas, a que posee las siguientes ventajas: Laoleohidrulica permiteobtenerelevadosesfuerzos conelementos detamao reducido pormediodegrandespresiones.Pueden,portanto,obtenerseimportantesmomentosy grandes potencias. La relacin potencia/peso en hidrulica tiene un valor muy reducido en de 3 a 5 veces menor. Debidoaloanteriorlasfuerzas remanentes deinercia sonpequeas, loqueproporciona una serie de ventajas y posibilidades, como son: Permite conseguir movimientos suaves, exentos de vibraciones con el ritmo que se desee: movimientosrpidosdeaproximacinyretrocesoconmovimientoslentosdetrabajo.La ausencia de vibraciones permite obtener acabados de calidad. Posibilidad de regular la carrera de trabajo con gran precisin. PosibilidaddeobtenerciclosautomticosdetrabajodemanerasimilaralaNeumtica, pero con ms lentitud. Fcil transformacin de un movimiento giratorio en rectilneo o lineal y viceversa. Posibilidadderegulardemaneracontinualosesfuerzos,momentosyvelocidades desde cero hasta una velocidad mxima. Lasvariacionesdepresinpuedenconseguirsedemaneracontinuaoprogresivaya impulsos. Facilidad para invertir la marcha de manera cuasi instantnea. Ausencia deproblemas de sobrecarga, el accionamiento se parar pero no se estropear cuando lacargaseaexcesiva, ponindose inmediatamente enmarcha cuando descienda sta.Elaccionamientohidrulicoparadoconsumeenerga,mientrasqueenelcaso neumtico el consumo es nulo. Facilidad para evitar sobrepresiones mediante vlvulas de seguridad. Posibilidad, aunque limitada, deubicar el sistema hidrulico donde sedesee, independientemente de los otros rganos de la mquina. Facilidad para normalizar los elementos de los circuitos hidrulicos. Costos relativamente bajos. Mantenimiento reducido, simplicidad, versatilidad. Relativa facilidad para producir rdenes de mando, sin embargo superado muy ampliamente por la electricidad y la electrnica. FUNDAMENTOS3 Encombinacinconlaelectricidad,laelectrnicaylainformticasehaconseguidouna gransimplicidadenelmandoyfacilidadderegulacin,constituyendountndemde grandsimas posibilidades yrealidades. Abrepasoalmando adistancia. Sesuele afirmar que la electricidad constituye los nervios y la hidrulica los msculos. Por contra la hidrulica tiene algunos defectos: Losmovimientosnosontanperfectoscomosequisieradebidoalafaltaderigidez absolutadelaceite;elmdulodeelasticidad volumtrico deloslquidosnoesinfinito,es decir,sucompresibilidadnoesnula.Lavariacindeviscosidaddelaceiteconla temperatura y lapresin produce variaciones en las prdidas de carga en los conductos y en las vlvulas y modifica el volumen de fugas. Lasprdidasdecargaenlastuberasy vlvulasdisminuyen elrendimiento delsistemay limitan las velocidades en las tuberas, para que aquellas no lleguen a valores excesivos. Lasprdidasporfugasencilindrosysistemasdeselladodisminuyenelrendimientodel sistemaylasvelocidadesdedesplazamientodelosactuadores.Minorarfugasexige tuberasbuenasycilindrosyvlvulasconmecanizadosdealtaprecisinyportanto costosos. Los elementos utilizados son algo ruidosos, del orden de 80 decibelios A. Endeterminadoscasoslatecnologasecomplicayrequiereespecialistasensuusoy mantenimiento Todas las ventajas enumeradas anteriormente, pese a los inconvenientes citados, hacen a la hidrulica extraordinariamente til y muy empleada en numerosas tecnologas. 1.1 Clasificacin de la oleohidrulica La hidrulica actualmente puede dividirse en tres estadios: 1.oleohidrulica convencional y modular 2.oleohidrulica proporcional 3.oleohidrulica de servovlvulas Lahidrulicaconvencional utilizacomponentes ovlvulastodoonada,pasalquidoono pasa, utiliza regulaciones normales, mecnicas (levas, pulsadores, rodillos), pilotados con circuitos hidrulicosauxiliaresoelctricasconelectroimnnormal.Sugranlimitacinesla dificultadde regulacinprecisadefuerzayvelocidad.Seentiendeaquporoleohidrulica noslostaens, sinotambinlaelectrooleohidrulica,aunquenosuelerecibirestenombretanlargo,sino simplemente hidrulica. Lahidrulicamodularesigualalaconvencionalsalvoenloquepudieradenominarse ordenacin del "cableado". Intentando minorar tuberas para eliminar fugas y prdidas de carga, se 4OLEOHIDRULICA acoplanlasvlvulasycomponentesformandomdulos.Ademsconciertanormalizacin seha conseguido minorar costos. Laoleohidrulica deservovlvulas, aparecidasobre1950,esutilizadafundamentalmente pararegulacin.Unmandoelctricorecoge sealeselctricas deentradaparatransformarlas en unasealmecnicadeposicin.Seconsigueunmandoproporcionalintensidad-caudalypor tantoregulacin de velocidad (electro -hidrulico). Se obtiene un mando proporcional intensidad - presin y por tanto regulaciones de fuerza (electro -hidrulica). Son componentes de alta calidad. Resuelve problemas que la hidrulica convencional no resuelve. Lasservovlvulascontienenunamecnicadealtaprecisin,querequiereunaceitemuy limpio, y por tanto un filtrado muy exigente (5 a 10 m).Se utiliza en los casos en que se requiere granprecisin:errorbastantemenordel3%enfuerzasydel1%enposiciones.Seobtieneuna precisindeposicionamientode0,01mm.Tambinseutilizaenelcasodemovimientosa frecuencias altas, superiores a 10 Hz. La hidrulica con servovlvulas es perfecta pero costosa y difcil, pero si no se utiliza no se resuelvenlosproblemasdelahidrulicaconvencional:regularcongranprecisinfuerzasy velocidades (presiones y caudales). Unasolucinintermediaentreambastecnologaseslahidrulicaproporcional.Utilizada principalmente para mando y en cierta medida en regulacin. Se recuerda que en la regulacin se autocorrige la magnitud obtenida si no concuerda con la deseada, mientras que en el mando no. Lahidrulicaconvencional paraconseguirlaregulacinproducegolpesdearieteyotros efectos secundarios que sacuden la mquina en ese instante y que no permite gran precisin. Otra dificultad es la correccin del valor resultante, comparndolo con el valor deseado. Todosestosproblemasvienenaserresueltosporlaaparicin delasvlvulasdecontrol direccional capacesdeofrecerunaaperturacontroladaavoluntad, mediante unasealelctrica. Esto es lahidrulica proporcional. Los componentes proporcionales se caracterizan por: -La magnitud hidrulica controlada (p o Q), proporcional a la intensidad elctrica. -La corriente continua de entrada es similar a la de los electroimanes convencionales. Las impurezas admisibles en el aceite son superiores que en las servovlvulas (25 men vez de 10 m). 3 Paralosreguladoresdeposicinelcaudalmximoes3dm/min,locualobligapara caudales superiores a utilizar un elemento pilotado. Lahidrulicaproporcionalnoeliminalaconvencionalsinoquelacomplementa;una solucin con tcnica proporcional puede simplificar considerablemente un circuito. FUNDAMENTOS5 1.2 Diferencias entrelosdiferentes tiposde oleohidrulica Seacompaauncuadroenelquesecomparanlahidrulicaconvencionalconla hidrulica que emplea servovlvulas y vlvulas proporcionales. Hidrulica convencional y modular Hidrulica proporcional Hidrulica con servovlvulas 75% de las aplicaciones >20% de las aplicaciones 10 Hz. Regulaciones variables difciles Control a distancia Control a distancia Cambios bruscos Facilidad en el cambio de informacin Facilidad en el cambio de informacin. Posibilidades de unin con la informtica a travs de autmatas programables. Control electrnico. Necesidad de comunicacin A/D. Electrnica ms compleja. Filtracin > 20 madmisibles Filtracin < 25 m Filtracin < 10m. Componentes intercambiables sin dificultad a nivel internacional Componentes de difcil intercambiabilidad en cuanto a caractersticas. Componentes de difcil intercambiabilidad en cuanto a caractersticas. Componentes econmicos Componentes ms econmicos que las servovlvulas. Componentes caros Estudios realizables por un gran nmero de aplicadores Estudios difcilmente realizables por el aplicador Estudios difcilmente realizables por el aplicador Mantenimiento fcil Mantenimientomsfcilque en servovlvulas. Mantenimiento delicado 1.3 CIRCUITOS ELEMENTALES Uncircuitooleohidrulicobsicoconstadeunabombaqueproporcionalapresindel aceite,unaconduccin pordondesetransportayuncilindrodondellegaelaceiteyserealizael esfuerzo, tal como se observa en la figura 1-2. 6OLEOHIDRULICA Mediante una fuerza F1 accionada enuncilindro deseccin A1 se obtiene una presin en ellquidop=F1/A1;estapresinsetransmite,segnloexpresaelteoremadePascal,porla conduccin hasta el cilindro mayor de seccin A2, consiguiendo con ello una fuerza F2 = p.A2. Esto es el fundamento de la palanca hidrulica o de la prensa hidrulica. Como se observa el esfuerzo obtenido es proporcional a la presin. carga A1 A2 F1 F2 Q Bombacilindro Figura 1-2. Circuito oleohidrulico bsico. Porotraparte sien el cilindro pequeo se va incrementando la fuerza queen l sehace, seaumentalapresinenellquidohastallegarunmomentoenquesealcanzalapresin necesariaparavencerlacargadispuestaenelcilindrogrande;apartirdeesteinstantenose incrementa la presin, sino que la carga comenzar a desplazarse. La presin siempre se adecua a la resistencia que se opone al flujo. La velocidad con que se desplaza la carga es proporcional al caudal aportado por la bomba. La posicin de la carga en un determinado instante es proporcional alvolumendelquidoquehayaentradoenelcilindro,esdeciraaquelquehayaaportadola bomba. Elcircuito bsicodelafigura 1-3hadecompletarse para cumplir adecuadamente con su misin,en primertrminoconun depsitoque aporteelaceitenecesarioyunabomba, maniobrada con un motor elctrico o de explosin, pero adems ser necesario dotar al circuito de al menos determinados mecanismos que influyan en el sentido dedesplazamiento del cilindro, en su velocidad de desplazamiento y en la presin del sistema. FUNDAMENTOS7 3.2 3 1A 3.1 AB 6 1V4 4 1V3 AB 5 1V2 TP PT 7 1V1 1Z1 0 8 1 P 1P S 2 Figura 1-3. Circuito oleohidrulico. En la figura 1-4 se representa un circuito ms completo en el que la bomba (1) absorbe el aceitedeundepsito (2)cuyasuperficie seencuentra encontacto conlaatmsfera y loimpulsa porunsistemadetuberasauncilindro.Elcilindro(3)constadeunmbolo(3.1)yunvstago (3.2). El aceite a presin acta sobre el mbolo produciendo un esfuerzo que transmite al vstago que es el que en ltima instancia realiza la fuerza requerida. Paraconseguirqueelvstagopuedadesplazarseenunouotrosentidosedisponede unavlvula distribuidora (4)quesegn cual sealaposicin queadopte su corredera permite que elaceiteapresinsedirijaaunouotroladodelmbolo.Porotraparteelaceitesituadoalotro lado del mbolo se dirige a travs de la misma vlvula hacia el depsito de aspiracin de la bomba para que pueda ser utilizado de nuevo. Labombautilizadaenestoscircuitosesdedesplazamientopositivoyenprincipio proporcionacaudalcasiconstanteindependientedelapresinqueseleexijaycomoyaseha 8OLEOHIDRULICA dichomsarribastadependedelafuerzarequerida.Puesbiencuandoelmboloalcanzauno de los extremos del cilindro no ser capaz de avanzar ms por que ste se encontrar arriostrado. Ental caso la presin aumentara indefinidamente siesque no se dispusiera algn elemento que la limitara. Esto es lo que consigue la vlvula limitadora de presin o de seguridad (5) que una vez alcanzadaunadeterminada presindeconsignaseabreyderivalatotalidadopartedelcaudal, segn loscasos, hacia eldepsito deaspiracin, que enloscircuitos oleohidrulicos suele recibir el nombre de tanque. Sisequiereinfluirsobrelavelocidadconquesedesplaceelvstagosehadevariarel caudal con que circula el aceite por las tuberas, para ello se dispondr una vlvula estranguladora (6), derivndose el caudal sobrante por la vlvula de seguridad (5). Enlaprcticaloscircuitossedibujandelamanerasimpleyesquemticaexpuesta atendiendo alanorma ISO1219,deforma prcticamente igual que en laneumtica, tal como se muestra en la figura 1-3. En cada elemento se ha indicado la nomenclatura sealada en tal norma. 1.4 NORMATIVA La normativa ms importante a aplicar en la oleohidrulica es la siguiente: ISO 1219 Transmisiones hidrulicas y neumticas. Smbolos grficos. ISO 4406 Calidad del aceite por su filtrado. ISO 4413 Transmisiones hidrulicas. Reglas generales para la instalacin y la utilizacin de equipos en los sistemas de transmisin mando. ISO 4414 dem Neumticas. ISO 4572 Efectividad de un filtro segn la prueba Multipas. VDMA 605.12 Caractersticas de los aceites. VDI/VDE 2173 Medidas caractersticas aerodinmicas de las vlvulas (Factor de paso). ISO 2909 ndice de viscosidad. DIN 51519 Clasificacin de la viscosidad. DIN 51524 Clasificacin de los aceites segn su viscosidad. DIN 24312 Presiones, definiciones, etapas de presin. DIN 2391C Tuberas de acero al carbono, estirado sin soldadura en atmsfera de argn. Lasimbologadeloselementosutilizadosseacompaaenelapndice. PROPIEDADES DE LOS ACEITES9 2. PROPIEDADES DE LOS ACEITES Enprincipioparatransmitirenergadepresinsepodrautilizarcualquierlquido.Sin embargosiseusaraaguaporejemplogeneraraproblemasdecorrosin,deebullicinyde congelacin.Normalmenteseusanaceiteshidrulicosprocedentes deladestilacin delpetrleo enaquellasinstalacionesenlasquenohayariesgodefuego.Siexistieradichoriesgose utilizaran emulsiones agua aceite oaceites sintticos. En cualquier caso losaceites hidrulicos debencumplirconunascaractersticasbsicas:Debenlubricarloselementosmviles,deben proteger contra lacorrosin, tienen el punto deebullicin altoy el punto de congelacin ms bajo que el del agua, transmiten energa por medio del aumento de presin y disipan el calor generado por las prdidas de carga. Laprimerapropiedadessudensidad,esdecirsumasaporunidaddevolumen.Es frecuenteconocerestapropiedadatravsdeloquesedenominadensidadrelativa,esdecirel cociente entre la densidad del cuerpo considerado y la del agua. Se representa por S.En el caso deaceitessesueleutilizarladensidad engradosAPI(American Institute Petroleum); larelacin entre este parmetro y S vale: API 141,5131,5S = S Assetienequeelaguatieneunadensidadde10APIyunaceitepuedeteneruna densidad entre 25 y 45 API. Lapropiedadquetienenlosfluidosquelosdiferenciadelosslidoseslaviscosidad, graciasalacualseoponenasumovimiento.Existendosformasdemedirlaviscosidaddeun fluido: a travs de consideraciones cientficas y empricas. Para medir laviscosidad absoluta odinmica () se utiliza la unidad del SIelPoiseuille - Pl (kgm-1s-1),obienendimensiones depresin.tiempo,siendoelPoiseuille=Pascal.segundo (Pa.s). La viscosidad del agua a 20 = 1 mPl = 0,001 Pa.s y la del aceite mineral a 20= 35 mPl. Paramedirlaviscosidadcinemtica,equivalentealaviscosidad dinmicadivididaporla densidad, se emplea la unidad del SI, sin nombre concreto, m2s-1 y en ocasiones el mm2s-1 = 10-6 m2s-1 La viscosidad del agua a 20= 1 mm2s-1 y la del aceite mineral a 20= 40 mm2s-1 Entre las viscosidades empricas destaca el mtodo de Engler, que mide la viscosidad en grados Engler (E).Esta medida se relaciona con la viscosidad cinemtica mediante la frmula de Ubbelohde. v (mm2 s1 )= 7,32v ( E) 6,31 v ( E) 10OLEOHIDRULICA La viscosidad del agua a 20C es 1 Engler. Un importante mtodo de identificar aceites hidrulicos es por la especificacin de la clase deviscosidad.LanormaISOascomolaDIN51524clasificanlosaceitesaintervalosde viscosidad a 40 C. Tal y como se muestra en el cuadro siguiente. Clase de viscosidad ISO Viscosidad cinemtica (mm2/s) a 40 C Mxima Mnima ISO VG 10 9 11 ISO VG 22 19,8 24,2 ISO VG 32 28,8 35,2 ISO VG 46 41,4 50,6 ISO VG 68 61,2 74,8 ISO VG 100 90 110 Tambinparamedirlaviscosidaddelosaceitesseutilizanconfrecuencia los nmeros SAE(SocietyofAutomotiveEnginers),quemarcanintervalosdeviscosidad.Unaequivalencia entre clases SAE e ISO-VG se puede ver en el cuadro siguiente. Clase SAE ISO- VG Area de aplicacin 30 Instalaciones estacionarias en lugares cerrados y altas temperaturas 100 20 W 68 A temperaturas normales 10 W 46 5 W 32 Para instalaciones al aire libre. Hidrulica mvil 22 (15) En lugares fros 10 PROPIEDADES DE LOS ACEITES11 Figura 2-1. Variacin de la viscosidad cinemtica con la temperatura. Variacinde la viscosidad Unacuestin fundamental enloscircuitos oleohidrulicos eslavariacin delaviscosidad porlamodificacindedeterminadosparmetros;principalmentesealteraconlatemperatura; tambin lo hace con la presin, pero tan solo si sumodificacines muy importante. Lavariacindelaviscosidadconlatemperaturaseconoceatravsdeldenominado ndice de Viscosidad VI -, obtenido mediante consideraciones empricas. Un ndice de viscosidad alto corresponde a fluidos de viscosidad bastante estable al variar la temperatura, mientras que si su valor es bajo seala que el aceite presenta modificaciones importantes con la temperatura. Los aceites utilizados en oleohidrulica deben tener un ndice de viscosidad superior a 75. La variacin de la viscosidad con la presin viene definida por: 12OLEOHIDRULICA 9 9 p =0 eop donde: p es la viscosidad a una presin absoluta de p bar 0 es la viscosidad a la presin atmosfrica o posee los valores siguientes para diferentes temperaturas 20C = 0,0024 bar-1 50C = 0,00205 bar-1 100 C = 0,00147 bar-1 De dichas frmulas resulta, por ejemplo, que la viscosidad para una presin de 100 bar y a 50 C es 1,22 veces que la correspondiente a la presin atmosfrica e igual temperatura; por otra parte se observa que la viscosidad aumenta con la presin y disminuye con la temperatura en los lquidos. Compresibilidad Sedefinelacompresibilidaddeunfluidocomolacapacidadparadisminuirsuvolumen cuandoseincrementalapresinalaqueseencuentrasometido.Secuantificamedianteel mdulo deelasticidad volumtrico K, querepresenta el cociente entre la variacin de presin y la variacin unitaria de volumen: K= Ap A obviamentetienedimensionesdepresin.ElsignomenosseaadeparaqueelvalordeKsea positivo.CuantomayorseaKtantomsincompresible serelfluido.Enocasionesseutilizasu inverso,|, denominado coeficiente de compresibilidad. Debido al elevado valor del mdulo de elasticidad volumtrico de los lquidos en ocasiones puedan ser considerados como incompresibles e incluso as se les llega a adjetivar. El valor correspondiente al agua es: Kagua= 2,110Pa = 21.000 bar El de un aceite medio vale: Kaceite= 1,610Pa = 16.000 bar esto supone que para variar tan solo un 1% el volumen de aceite se ha de someter al fluido a una presin de 160 bar o que basta disminuir su volumen un 1% para incrementar la presin 160 bar Por otra parte el mdulo de elasticidad volumtrico de un lquido no vara linealmente con lapresinsinoquellegaunmomentoenquelohacedemaneraexponencial,conlocualpara PROPIEDADES DE LOS ACEITES13 conseguir una misma reduccin devolumen a presiones altas es necesario provocar un aumento de la presin muchsimo mayor que a presiones reducidas. Hastalos300barpuedeconsiderarsequeelmdulodeelasticidadvolumtricoes constante, siendo la disminucin de volumen, para el aceite, aproximdamente de 0,7% cada 100 bardeincremento depresin;apartirdeestemomento lacompresibilidad aumenta delaforma que expresa la figura 2-2 reducindose, por tanto, el porcentaje indicado. K 300 barp Figura 2-2. Variacin del mdulo de elasticidad volumtrico con la presin. Otra cuestin a tener en cuenta en la compresibilidad de los lquidos es la cantidad de aire disuelto en el lquido. Caudalde compresibilidad Cuando uncilindrollegaalfinaldesucarrera, labomba sigueproporcionando uncaudal quehaceaumentarlapresinenaqul;estecaudalesllamadocaudaldecompresibilidad.A continuacin se va a relacionar el caudal con el incremento de presin. Como se ha expresado un poco ms arriba el mdulo de elasticidad volumtrico se define matemticamente como: K= p = m dp = mdp || m = dp (1) d m | d d \. 2 Por otro lado por definicin caudal msico equivale a: - dm m == dt d () dt = d + V d dtdt (2) Elprimero delossumandos se refiere ala variacin de la masa debida ala variacin del volumenmientrasqueelsegundosumandoindicalavariacindecaudalmsicoacausadela compresibilidad. De la primera expresin se puede deducir: 14OLEOHIDRULICA K= dp d d= dp K d= dt dp Kdt (3) Si se sustituye (3) en (2) se obtiene: dm = d + dp dtdtKdt Si se divide todo por y teniendo en cuenta que dm/dt=Q: Q=d+ dp dtKdt En el momento en que el cilindro llega a su final de carrera dV/dt = 0 luego el nico caudal que ser necesario aportar ser el debido a la compresibilidad, que ser: Q = dp Kdt Si se admite una variacin lineal de la presin con el tiempo: Q = Ap KAt o bien Ap= Q K At Si, por ejemplo, Q = 2 l/min, K = 16.000 bar, At = 0,2 s, el cilindro tiene un dimetro de 100 mm y una carrera de 300 mm, el incremento de presin alcanzara un valor de: Ap= 2.10 316.000 0,2 = 45,24 bar t 0,12 4 0,3 60 Otraspropiedades de losaceites Adems de las propiedades sealadas los aceites poseen otra serie de caractersticas que tienenunagranimportanciaensuutilizacinenlaoleohidrulica.Deentreellasdestacanlas siguientes: ndicededesemulsin.Caracterizalamayoromenorfacilidadquepresentaunaceite para separarse del agua que pudiera contener. El aceite y el agua forman emulsiones que no son convenientesenloscircuitos.Porelloesbuenoquelosaceitestenganunbuenndicede desemulsin. Existen mtodos para medir dicho ndice entre los que cabe destacar el de Herschel y el indicado por ASTM. En un circuito oleohidrulico el agua se introduce fundamentalmente por condensaciones. Poderantiespumante:Eslapropiedadporlaqueunlquidoseseparadelaireque contiene.Todoslosaceitescontienenairedisueltoenunaproporcindel10%envolumen aproximadamente, siendosusolubilidad directamente proporcional alapresineinversamente a la temperatura. PROPIEDADES DE LOS ACEITES15 Cuandoelaceitedespusdetrabajaraunapresinaltapasaaltanquealapresin atmosfrica,debidoaladisminucindelasolubilidad,sedesprendenburbujasdeaire produciendo espumas, que es necesario eliminar. Poderanticorrosivo:Esnecesarioincorporaralosaceitesalgnaditivoantioxidante para evitar la accin corrosiva de la humedad. Los circuitos que funcionan intermitentemente sufren una accin corrosiva superior a los que trabajan de manera continua. Puntodecongelacin:Esteparmetroadquiereunaimportanciasingularenloscasoen queloscircuitosoleohidrulicoshandetrabajaramuybajastemperaturas,comoelcasode maquinaria mvil. Punto de anilina: Define el poder disolvente del aceite sobre las juntas, empaquetaduras y otroselementosdecierredetuberas,vlvulasycilindros.Unvaloraltodeestendicepuede producir ablandamiento, henchimiento y disgregacin de determinados materiales. Propiedadeslubricantes:Losaceitesautilizarenuncircuitooleohidrulicohandetener buenaspropiedadeslubricantesconelfindequeloscilindros,motoresybombassecomporten correctamente.Laspropiedadeslubricantesseconcretanenunabuenaformacindepelcula, paraloqueserequiereunaadecuadauntuosidad,esdecirunadeterminadaadsorcinfsicay qumica del aceite por las partes metlicas. 2.1 Tiposde fluidos hidrulicos Los fluidos usados en hidrulica se pueden clasificar en los siguientes grupos: Aceite mineral: procedentes de la destilacin del petrleo Emulsiones aceite/agua (taladrinas) Mezcla agua/poliglicol Lquidos sintticos: sintetizados en laboratorio. Los ms comunes son los aceites basados en aceite mineral, que segn la clase CETOP RP75H puede ser: HH: aceite sin aditivos. HL:aceiteconaditivosespeciales paramejorar elpoder anticorrosivo y ladurabilidad del fluido.Formapartedelosdenominadosfluidosdecirculacinuniversales,paraaplicacionesy usosdiversos.Estespecialmente recomendadoparasuusoensistemasycircuitoshidrulicos quenorequierancaractersticasantidesgaste.Poseenbuenascualidadesantioxidantesy anticorrosivas. HM:esunaceite HL con ms aditivos para mejorar las propiedades antidesgaste. Dentro de la hidrulica industrial de tipo convencional, el tipo HM, satisface las exigencias de los sistemas hidrostticosmsmodernos,queincorporanbombasdeltimageneracindepaletasyde 16OLEOHIDRULICA engranajes, que operan a muy alta presin y con gran variacin de temperaturas. El grado ISO HM 46,cubrelosrequisitosdeviscosidad delamayoradelossistemas, simplificando elnmerode aceitesaalmacenar.ElISOHM32puedeoperar10Cpordebajodellmitedeposibilidadde bombeo fijado para el ISO HM 46. El grado ISO HM 68 est especialmente indicado para operar a altas temperaturas y presiones. HLP:parecidoaltipoHPperoconaditivosparaevitareldesgaste.Especialmente recomendadoensistemasconmicrofiltrosquerequierenfluidosconaltaresistenciaala degradacin trmica y alaoxidacin, con el fin de evitar la formacin de lacas en servovlvulas y lodosenlosdiferentesactuadoreshidrulicos.Especialmenterecomendadoensistemas hidrostticos que requieran fluidos hidrulicos de tipo antidesgaste y extrema presin. HV: que es un aceite HM ms aditivos para mejorar el ndice de viscosidad. Sepuedenclasificarlosaceitestambinenfuncindesisonfcilmenteinflamableso poseen una buena resistencia al fuego. Dentro del primer grupo estn los aceites minerales de los quesehahabladoantes.Enciertasaplicacioneslacombinacindeunaceiteapresinyuna fuente de calor, puede suponer un grave riesgo de incendio. De hecho, una simple fuga de aceite aelevadapresinenelcircuito,produceunapulverizacindelfluidoqueseproyectaagran distancia, y si entra en contacto con una llama, chispa elctrica, metal caliente, etc. la inflamacin esinstantnea.Portantosondesaconsejablesenaplicacionescomo:mquinasdefundira presin, mquinas de inyeccin, trenes de laminacin, mecanismos de basculacin de hornos, etc. y especialmente indicados por ejemplo en maquinaria de obras civiles. Dentrodelsegundogrupo,setienendostiposbiendefinidos:aquellosenlosquela resistenciaalfuegoesproporcionada porunaestructuraqumicayensegundolugarlosaceites mezclados con agua, con objeto de que sta les confiera la adecuada ininflamabilidad que ellos no tienen. Al primer subgrupo pertenecen los materiales sintticos en particular los ester-fosfatos y los hidrocarburos clorados. Al segundo subgrupo pertenecen las mezclas agua-glicol y las emulsiones agua en aceite y aceite en agua. Segn las normas VDMA 24317 y 24320 se clasifican de la siguiente forma: Fluido tipo Norma VDMA Composicin % de contenido de agua HFA 24 320 Emulsin aceite - agua 80 98 HFB 24 317 Emulsin agua aceite 40 HFC 24 317 Solucin acuosa p.e. agua - glicol 35 55 HFD 24 317 Solucin no acuosa ester-fosfato 0 0,1 TIPO HE biodegradable:Aceites especiales de bases sintticas y vegetales destinados a evitar el impacto medioambiental de las fugas de los sistemas hidrulicos. De alta capacidad para ser metabolizados por organismos vivos. Poseen una buena estabilidad trmica con muy elevado PROPIEDADES DE LOS ACEITES17 ndicedeviscosidad.Laactualgamacomprendeaceitesdeampliocampodetemperaturas de utilizacin(BEMAOIL HM-S) ynormales(BEMAOIL HM-C).Recomendado en sistemas hidrulicosdemaquinariayaplicacionesindustrialesquerequieranlautilizacindeunaceite biodegradable. Especificaciones: DIN 51524 Parte 3, ISO 6743/4 TIPO HE. A continuacin se acompaan las caractersticas de un aceite comercial, concretamente el CEPSA HIDRAULICO HL: aceite lubricante formulado con bases parafnicas altamente refinadas. UTILIZACION: especialmente recomendado para sistemas de circulacin donde se requieran buenas propiedades anti-oxidantes y contra la corrosin. PRESTACIONES: Alta resistencia a la oxidacin y herrumbre. Buenas caractersticas antiespumantes. Moderadas caractersticas antidesgaste. Fluidez a bajas temperaturas. Excelente comportamiento frente a juntas y elastmeros. aceite. Capacidaddeeliminacindeformarpidadelaireocluidoenel Las caractersticas tcnicas se reflejan en el cuadro siguiente: HIDRAULICO HL GRADO ISO CARACTERISTICAS NORMA ASTM 32 46 68 Densidad 15 C,g/cm3 D-4052 0,872 0,878 0,882 P. Inflamacin V/A,C D-92 210 215 220 P. Congelacin,C D-97 -24 -21 -18 Viscosidad a 40 C,mm2/s D-445 31 48,3 66,7 ndice de Viscosidad D-2270 100 100 100 18OLEOHIDRULICA 3. EL GRUPO HIDRULICO La creacin de la energa en un sistema hidrulico se realiza por medio de la bomba, que normalmentevaunidaaunaseriedeelementos,formandoloqueseconocecomogrupo hidrulico. Elgrupohidrulicosecomponeprincipalmente deundepsito otanque(figura3-1),una bomba,unavlvuladeseguridad,unmanmetroydosracoresporlomenos,unodetomade presin P y otro de vuelta al tanque T. La lnea L permite recoger el aceite producido por las fugas. Casisiempresuelenllevaralgntipodefiltroysielgrupoesunpocograndenecesitarde refrigeradoresycalentadoresdelaceite.Muchasveceslasvlvulasdecontrolvanincorporadas enelpropiogrupoconectadasenformamodularparaminorarelnmerodetuberasyjuntas. Ademsseaadencadavezmselementosdesensricaparalaautomatizacin,esdecir, presostatos, sensores de nivel, de temperatura, y de presin, caudalmetros etc. 3.1 El tanquehidrulico Eldepsito,omscomnmente llamadotanque,cumplediferentesfunciones. Enprimer trmino es el depsito de aspiracin e impulsin del sistema de bombeo, adems sirve de almacn yreservadeaceite.Porotrapartetienecomomisioneslaseparacin, enloposible,delairedel lquido hidrulico,larefrigeracindelaceiteporsimpletransmisindecalorporsusparedesal exterior, la toma de contacto del aceite con la presin atmosfrica y, por ltimo, su estructura sirve de soporte de la bomba, del motor de accionamiento y de otros elementos auxiliares. El tanque dispone de los elementos siguientes: -Filtro de llenado y aireador (1). -Visor de nivel mximo y mnimo (2). -Placa separadora retorno aspiracin (3). -Tapn de vaciado (4). -Tapa para limpieza (5) Todo depsito debe estar lo suficientemente ventilado para poder eliminar las burbujas de airedisueltas enelaceite.Adems sedebe ponerencontacto elaceite alapresin atmosfrica. Pero por otro lado se debe evitar que la polucin del ambiente contamine el fluido hidrulico. Esta es la misin del tapn de llenado y aireador. Laspartculasslidasmsgruesasyloslodosformadospordegradacindelaceitese vanacumulandoenlaparteinferiordeltanque.Cadaciertotiempohabrquehacerlaboresde mantenimiento, vaciado del tanque de aceite y limpieza del mismo. Para ello se dispone de la tapa (5).Lachapaseparadora(3)sirveparaevitarelpasodeburbujasdeairedelretornohaciala aspiracin delabomba, ya quehay que tener en cuenta que eltanque sirve almismo tiempo de EL GRUPO HIDRULICO19 depsitodeaspiracin eimpulsin delsistema. Estasburbujassondebidasalacadadelaceite poreltuboderetorno.Eltuboderetornohadetenerlongitud suficiente paraintroducirse dentro dellquidoeneltanqueyevitarlassalpicadurasqueformaranespumasielaceitesaltara libremente.Esmuyusualdisponerconjuntamenteconelvisordenivel,untermmetropara controlar no slo el nivel de lquido sino tambin su temperatura. 1 5 2 3 4 Figura 3-1. Tanque hidrulico. Paraeldimensionamiento del tanque sesuele adoptar lanorma emprica quedice que el volumen de aqul ha de ser igual a 3 a 5 veces el volumen impulsado por la bomba en un minuto. 3.2 Bombashidrulicas Lasbombasenloscircuitoshidrulicoshandeproporcionaruncaudalrelativamente pequeoconunagranpresin.Eltipodebombasidneasparaprestartalserviciosonlasde desplazamiento positivo, es decir, aquellas que estn basadas en el teorema de Pascal. Estetipodebombas,comoessabido,seclasifican,atendiendoalmovimientodel elemento desplazador, en: Bombas alternativas 20OLEOHIDRULICA Bombas rotativas Elcaudalqueproporcionan esenprincipio independiente delapresingenerada,yaque serequivalente alvolumendeunacilindradaporelnmero destasporunidaddetiempo;sin embargo, lapresinhacequeseproduzcan prdidas volumtricas, esdecirquepartedellquido pase a uno u otro lado del elemento desplazador e incluso fugue al exterior, o bien las vlvulas, si dispone de ellas, no se abran o cierren en el momento adecuado, por ello el caudal disminuye algo amedida queseincrementa la presin. La curva caracterstica que relaciona presin y caudal es portantoprcticamenteunarectahorizontal(figura3-2).Laregulacindelcaudalpuede conseguirse mediante la variacin de la velocidad de giro o, normalmente, gracias a la modificacin de la cilindrada. Q terico real p Figura 3-2. Curva caracterstica Caudal Presin de una bomba de desplazamiento positivo. Laalturaopresinengendradatericamentenotienetope,sinembargoenlaprctica estlimitadaporcuestionestecnolgicasobviasqueaconsejanquecadatipodebombano exceda deunadeterminada presin, e incluso lo normal esimpedir pase sta de un determinado valormedianteunavlvuladeseguridad.Seconstruyen bombasalternativasparapresiones de hasta 320 bar e incluso bastante mayores y rotativas hasta 250 bar o superiores. En los apartados siguientes se explican dichos tipos de bombas. Aunquelasbombasalternativasyrotativassonambasdedesplazamientopositivoy tienenelmismoprincipiodefundamento,trabajandemaneraalgodiferentequeaconseja explicarlas por separado. 3.2.1 Bombasalternativas Lasbombasalternativas constan esencialmente deunacarcasa cilndrica conunmbolo desplazable alternativamente enunoy otro sentido, dentro deaqulla, y unas vlvulas por donde EL GRUPO HIDRULICO21 MOVIMIENTO MOVIMIENTO penetraellquidoenlabombayseimpulsahacialadescarga.Enciertoscasos,lasvlvulasse sustituyen por lumbreras, tambin denominadas troneras, que son simples orificios que comunican las tuberas de aspiracin e impulsin con el interior de la carcasa de la bomba. Elmbolo al desplazarse enunoy otro sentido, respectivamente, crea una depresin que aspiraellquidodeldepsitodeaspiracin,ygeneraunacompresinquelodesplazahaciala tubera de impulsin. Se dice que cuando el mbolo se desplaza en un sentido genera un volumen enelquepenetralquido.Cuandolohaceenelsentidocontrariodisminuyeelvolumeny,por tanto,ellquidosituadoenlacmaraincrementasupresinhastaelmomentoenqueabrela vlvula de impulsin al vencer la fuerza producida por el lquido situado en la tubera de descarga, instante en que el lquido empieza a inyectarse en esta ltima. En la figura 3-3 puede apreciarse el esquema de una bomba de mbolo en las dos fases de su funcionamiento. MBOLO TUBO DE SUCCIN MPAQUE TUBO DE DESCARGA VLVULADE RETENCIN DE SUCCIN VLVULA DE RETENCIN DE DESCARGA MBOLO TUBO DE SUCCIN MPAQUE TUBO DE DESCARGA VLVULADE RETENCIN DE SUCCIN VLVULA DE RETENCIN DE DESCARGA Figura 3-3. Esquema de bomba de mbolo. Los elementos fundamentales de este tipo de bombas son la cmara cilndrica, el pistn o mbolo que se desplaza en su interior, el vstago que relaciona el mbolo con el elemento motor y lasvlvulasolumbreras.Entreelmboloyelcilindroyentresteyelvstago,enelpuntode salida hacia el exterior, espreciso producir laestanquidad suficiente para que el lquido no pase 22OLEOHIDRULICA de una a otra cara del mbolo y no salga al exterior, respectivamente. En las bombas utilizadas en la oleohidrulica el mbolo y el vstago forman una nica pieza denominada mbolo buzo. Debidoalfuncionamiento deestasbombas, maniobradas mediante unmotorgiratoriode arrastreyunsistemabielamanivela,elcaudalproporcionadoesmuyvariableconeltiempo, siguiendo una curva senoidal (figura 3-4). Q t2t 3t t Figura3-4. Caudalproporcionadopor una bombaalternativaen funcindel tiempo. Paraatenuarlavariacindelcaudalesmuyfrecuenteladisposicindevariasbombasde mboloenparalelodetalformaquetrabajenconundeterminadodesfaseentreellas,conloque seconsigue,ademsdeunincrementodecaudal,unaimportantereduccindelairregularidaddel servicio.Porejemplosisedisponencuatrobombasigualesdesfasadast/2,setendrquecada unasuministraelcaudalindicadoenlafigura3-5.Elcaudaldelconjuntosecalculamediantela sumadel proporcionadopor cada cilindro. Q t/2t3t/22t 3t 4t t Figura3-5. Caudal proporcionado por cuatro bombas iguales de simple efecto desfasadas t/2 EL GRUPO HIDRULICO23 Lasbombas alternativas utilizadas enoleohidrulica handeestarformadas necesariamente porvarioscilindrosconelfindehomogeneizar elcaudal.Seclasificansegnla disposicinde los cilindrosen bombasradialesy bombasaxiales,que se explicana continuacin. 3.2.1.1Bombasradiales Lasbombasradialesconstandeunalevacentral(2)accionadaporelmotordearrastre quecuando giraposiciona cadaunodelospistones (4)endistintas fases,producindose la aperturay cierrede las vlvulas(5 y 6) en diferentesmomentos(figura3-6). Enlafigura3-6seobservacomolabomba(3.1)seencuentraensituacindesuccincon lavlvuladeaspiracinabiertay ladeimpulsincerrada(noseveenel dibujo),enlabomba(3.2) secomienza ainvertirelsentidodesumbolocerrndose lavlvuladeaspiracin yyaenla bomba(3.3)lalevaestenposicintalque,cerradalavlvuladeaspiracin,abrelavlvulade impulsiny envael lquidohaciala descarga. Figura3-6. Bomba de pistones radiales. 24OLEOHIDRULICA Cuandolalevagira360cadaunodeloscilindrospasarportodaslasposicionesdesus correspondientesmbolosy vlvulas,verificndoseunciclocompletoenlostrescilindrosencada revolucin. Existenbombascon3,5y 7cilindroseinclusotodavams;permitenproporcionarhasta 700barconcaudalesdehasta150l/min.Estasbombassonreversiblespudiendotrabajarcomo motoreshidrulicos,esdecirmediantelaaportacindeunlquidoapresinseproduceelgirode la mquina,transformndosela energahidrulicaen energamecnica. 3.2.1.2Bombasde pistones axiales En este tipo de bombas los cilindros se disponen paralelos entre s de manera circunferencialenunaespeciedetambor.Losmbolossondesplazadosalternativamente dentro desusrespectivos cilindrosmediante unaplaca,inclinadarespectoalejedeloscilindros.Los extremosexternosdelospistonesdisponendeunartulaparapermitirjuegoensumovimiento. Todaslasrtulasvanunidaspormediodeunanilloqueapoyasobrelamencionadaplacaova unidaa la misma. Existen dos formas de arrastre de los pistones, denominadas platina inclinada yeje inclinadorespectivamente. Enelprimercaso(figura3-7)elejemotorestunidomedianteuna chavetaaltamborquealojaloscilindros.Algirarelejemotor,tambinlohaceeltambor,laplatina solidariaalejey,porlotanto,lospistones;almismotiemposedesplazanlongitudinalmentestos aldeslizarlasrtulasdelosmismosporlaplacainclinadaqueseencuentrafijayser,portanto, empujados por lamisma. Endeterminados casos seutilizan muelles queobligan aquelos mbolosapoyencontinuamentesobrela platina. Lumbrera deo aspiracin Lumbrera de impulsin Figura3-7. Esquemade funcionamientode bombaaxial con placa inclinada. Lospistonessehallandesfasados,consiguiendodeestamaneraunamayorregularidad decaudal.Evidentementeencadarevolucintodosloscilindros,pasanporlasdistintasfasesdel ciclo. Los cilindros que se encuentran en lafase de succin estn conectados mediante la EL GRUPO HIDRULICO25 lumbreradeaspiracinaldepsitoinferior,mientrasqueloscilindrosquetrabajanpresionando estn acoplados, gracias aunasegunda lumbrera, alatubera dedescarga. Laslumbreras consistenenunosorificiosenformaderin.Cadacilindroestforzosamenteencontactoconla aspiracinoconlaimpulsinparaquenoaumenteelvolumendelcilindrosinqueentrelquidoen l y no disminuyasin que salga. Enelotrocaso(figura3-8),esdecir,conejeinclinado, elejemotorarrastralaplaca, solidariaalmismo,alaqueestnunidaslasrtulasdecadambolo.stasarrastranasuvezlos pistones, haciendo girareltamborydesplazndose aslosmbolosdentrodesusrespectivos cilindros.Eldesfasedeloscilindros,lastronerasy lasconexionesconlaaspiraciny ladescarga son anlogosa los del caso anterior. Lumbrera de o aspiracin Lumbrera de impulsin Figura3-8. Esquemade accionamientode bombaaxial con eje motorinclinado. Elcaudaltericotrasegadoporestasbombasesequivalentealvolumendelacilindrada multiplicadaporelnmeroderevolucionesporunidaddetiempo.Lacilindradaesigualalnmero decilindrosporlaseccintransversaldecadaunoyporlacarrera.Elcaudalrealserigualal tericomultiplicadopor su rendimientovolumtrico. Conelfindequeestasbombaspuedanmodificarel caudal,lasdosversionesdescritasse fabricanconcilindradavariable,locualseconsigueproporcionando alaplatina,mediantealgn mecanismo,diferentesinclinacionesconrelacinalosejesdelospistones,conloquesevarala carreradelmbolodentrodesucilindro.Ademspuedenserdoblementereversibles,esdecir, soncapacesdeinvertirelsentidodelflujoydetrabajarcomomotoreshidrulicos.Obviamente, son autocebantes. Enlasfiguras 3-9y3-10sepresentan cortesmeridianos dedosbombasdepistones axiales,unaconplacainclinaday laotraconelejeinclinado.Puedenalcanzar400bardepresin y un caudalde hasta2.000l/min,graciasa disponerhasta11 pistonesdispuestosen paralelo. 26OLEOHIDRULICA Figura3-9. Bombade pistonesaxialescon placainclinada. Figura3-10.Bombade pistonesaxialescon eje de motorinclinado. EL GRUPO HIDRULICO27 Lasfiguras 3-11y3-12representan, respectivamente, cortes debombas depistones axialescon platinainclinaday eje inclinadocon cilindradavariable. Figura3-11.Bombade pistonesaxialescon platinainclinaday cilindradavariable. Figura3-12.Bombade pistonesaxialescon eje inclinadoy cilindradavariable. 28OLEOHIDRULICA 3.2.2 Bombasrotativas Lasbombasrotativassonbombasdedesplazamientopositivoenlasqueelrgano desplazadorgirasobreuneje;recibentambinelnombrederotoestticas.Suprincipiode funcionamiento, su curva caracterstica ysus aplicaciones son muy similares a las bombas alternativas. Algirar elelemento desplazador secrea una depresin que succiona ellquido sin necesidaddecebado,lodesplazaylodepositaenladescargajuntoconellquidosometidoa presin. Norequieren vlvulas, evitndose losreflujosmediante ajustesperfectos entrepartes estticasy mviles. Suprincipiodefuncionamientoessencilloperosuconstruccindifcilporloquesucoste eselevado,ascomosurendimiento.Handetrabajarconlquidossuficientemente viscososque sean capacesde formarpelculapara que sirvande lubricantede la propiabomba. Existennumerosostiposdebombasrotativasdenofcilclasificacin, deentreellasen oleohidrulicaseempleanprincipalmentelasdeengranajesexternos,lasdeengranajesinternosy las de paletas. 3.2.2.1Bombasde engranajesexternos Constandedospionescilndricosrectos,unodeellosmotory elotroarrastradoporste, quegirandentrodeuncuerpodebombamuyajustado.Ellquidoquepenetraenlamquinapor laaspiracin essuccionado algirarlospiones,atrapadoentrelosdientesyelcuerpodelas bombasyobligadoacircularperifricamenteconlospioneshastaladescarga.(figura3-13).En lafigura3-14puedenverselascurvascaractersticasdeunadeterminadabombadeengranajes comercial,quefacilitaelcaudalylapotenciaabsorbidaenfuncindelapresin.Serecuerdaque la potenciaabsorbidaes igual al caudalpor la presindivididopor el rendimiento. Figura3-13.Bombade engranajesexternos EL GRUPO HIDRULICO29 70 60 50 Q40 25 p-Q 20 (l/min) 30 20 10 p-potencia 40 cm3 n=1450rpm v=41mm2/s t = 50 C 15 Pabs (kW) 10 5 00 01050100150175200210 p (bar) Figura3-14.Curvacaractersticade una bombade engranajesexternosde BOSCHREXROTH. Ellquidoposeelapresindelaaspiracinhastaelmomentoenquetomacontactoconel de laimpulsin, en cuyo instante, almezclarse ambos, deforma ms omenos violenta e instantnea,pasa a tenerla presinde aqullaque puedeser muy importante. Sonbombasdecilindradaconstante,reversiblesdoblemente,esdecirpuededisponerse la aspiraciny la impulsina la inversay trabajarcomomotoreshidrulicos. 3.2.2.2Bombasde engranajesinternos Unavariantedelabombaanterioresladeengranajesinternosqueconsisteenunarueda condientesensuperiferiaquegiraexcntricamente conelcuerpodelabomba,quedisponeen su interiordientescon los que engrana,tal comose observaen la figura3-15. Lapresinconquetrabajanestasbombas alcanzalos250bar;elcaudalesreducido dadassuscaractersticas constructivas. Lasbombas deengranajes externos aunquesonms econmicasson msruidosasy cada vez menosempleadaspor este motivo. Figura3-15.Bombade engranajesinternos. 30OLEOHIDRULICA

ASPIRACIN Rendimiento total Rendimiento volumtrico Cilindrada Figura3-16.Curvascaractersticasde bombasde engranajesinternosBosch. Lafigura3-16contienelascurvascaractersticasdeungrupodebombascomerciales determinado.Cadabomba,dentrodelgrupo,estdefinidaporsucilindradatotal.Lacilindradareal esigualalatotalporelrendimientovolumtricoquedependedelapresindetrabajo.Lapotencia absorbidaes igual al caudalpor la presindivididopor el rendimientototal. 3.2.2.3Bombasde paletas Constandeuntamborcilndricoquedisponedeunashendidurasradialesenlasquese desplazan unas paletas; dicho tambor gira en elinterior de uncuerpo ligeramente elptico, ajustndoseaqullascon el interiorde aquel,gracias,entreotrosmotivos,a la fuerzacentrfuga. Alverificarseelgiro,igualqueenlasotrasbombasrotativas,secreaunasuccinque absorbeellquidodelaaspiracin,loatrapa,lodesplazaylodepositaenlaimpulsin(figura 3- 17). En cada revolucinse producendos cicloscompletos. TAPAESTATOR ROTOR CARCAS EJE MOTOR PRESIN PALETAS PLACAS DE MANDO Figura3-17.Seccintransversalde una bombade paletas. EL GRUPO HIDRULICO31 Paraqueelajusteentrelaspaletasy elcuerpodelabombaseamsperfectoseadoptan dosprecauciones, laspaletas sedividen endossemipaletas independientes biseladas ensu extremo,conelfindemejorarelajusteentrestasyaqul.Porotraparteelhabitculoexistente entrelaspaletasy elinteriordelashendidurasseponeencontactoconlaimpulsinconlamisin deconseguir unafuerza radial hacia elexterior quecoadyuve conlafuerza centrfuga. Son bombasde presinmedia,hasta175 bar, y de caudalmsbien reducido. Existelaposibilidaddemodificarlacilindradavariandolaposicindeltamborinternocon laspaletas dentro delcuerpo delabomba. Lafuerzanecesaria paradesplazar eltambor se consiguecon la combinacinde resortesy el propiolquido(figura3-18). Smbolo simplificado Placade eliminacinde holguras Figura3-18.Bombade paletascon cilindradavariable. 32OLEOHIDRULICA Enlafigura3-19serepresentan lascurvascaractersticas deunadeterminada bomba comercialde paletasde cilindradavariableen tres posicionesconcretas. Potenciaa caudalnulo Figura3-19.Curvascaractersticasde una bombade paletasde caudalvariablemarcaBosch modeloVPV 32 SM 21. Las Q-p son para 3 posicionesde su excntrica. Las tablas3-1 y 3-2 comparanlas posibilidadesde los tiposde bombasdescritos. Comparacinentrelas caractersticasde los diferentestiposde bombas Tipo Rangode velocidades (rpm) Cilindrada 3 (cm) Presin nominal (MPa) Caudal (l/min) Rendimiento Engranajes exteriores 500-3.500 1,2-250 6,3-21 0,6-875 0,8-0,91 Engranajes interiores 500-3.500 4-250 16-25 2-875 0,8-0,91 De aletas 960-3.000 5-160 10-16 4,8-480 0,8-0,93 De pistones axiales 750-3.000 25-800 16-25 18-2400 0,82-0,92 De pistones radiales 960-3.000 5-160 16-32 4,8-480 0,9 Tabla3-1. Comparativade tiposde bombas. EL GRUPO HIDRULICO33 Rangode viscosidadNivel de ruidoVida tilPrecio EngranajesdentadoexteriorMuy altoAltoMediaBarata EngranajesdentadointernoAltoMuy bajoAltaBarata PaletasBajoAltoMuy AltaBarata PistonesaxialesMuy AltoAltoAltaCara PistonesradialesMuy AltoAltoAltaCara Tabla3-2. Cualidadesde las bombassegnsu tipo. 3.3 Vlvulade seguridad La vlvula de seguridad que lleva todo grupo hidrulico esenrealidad una vlvula limitadoradepresin;tienecomomisinquecuandouncilindroalcancesupuntomuertoanterior oposteriory labombacontineproporcionandoaceite,lapresinnoseeleveindefinidamentesino queselimiteaunvalordeconsigna;llegadoesemomentoseabrelavlvuladeseguridady dirige el aceitedirectamenteal tanque. La explicaciny los detallesde esta vlvulafiguranen el apartado5.3.1. 3.4 Filtros Elfiltradoenunainstalacinoleohidrulica,porsuimportancia,merecerauntratamiento muchomsexhaustivo deloquesehaceenestosapuntes,yaqueaqutansoloseexplican cuestionesbsicas. Elfiltradodellquidohidrulicoesmuyimportanteparaelmantenimientocorrectodesus funcionesy paraconseguirunaduracindilatadadeloselementosdelainstalacin.Laspartculas metlicasdesprendidasdetuberas,vlvulasycilindros;losfragmentosdejuntasarrancadaspor rozamiento,elpolvoqueinvadelainstalacinhidrulica,formanpartculas,msomenosgrandes, quehandesepararsedelaceitepormediodefiltros,parapreservarlavidadeloselementosque constituyenelsistema,especialmentelabombay lasvlvulas,yaquelasuciedadproduceungran desgasteen las piezasmvilesde la instalacinhidrulica. Segnsu colocacinen la instalacinse distinguentres tiposde filtros(figura3-20): 34OLEOHIDRULICA Figura3-20.Tiposde filtrossegnsu colocacin. Filtrodeaspiracin (figura3-21),dispuesto aguasarribadelabomba.Requieredeun mantenimiento exhaustivo yaquedenoserascausara lacavitacin enlabomba, pudiendo producirunagrandisfuncionalidad enlamisma.Defiendelainstalacindepartculasgruesas.Si se pretendierarealizarun filtradomsfino la prdidade cargageneradaproducira inexorablemente cavitacin,cuestininadmisibleenunabomba.Lasventajasdeestefiltroessu fcilmontajeysuprecioreducido,yaquetrabajaapresinreducida,ademsdeprotegeratodos loselementoshidrulicosdelaspartculasmsgruesas.Tieneelinconveniente deencontrarse dentrodel tanquesumergidoen el aceitecon la consiguientedificultadpara el mantenimiento. Figura3-21.Filtrode aspiracinde la bomba. EL GRUPO HIDRULICO35 Filtrodeimpulsin,tambinllamadodepresin(figura3-22),ubicadoaguasabajodela bombay aguasarribadevlvulasy cilindros.Eliminapartculasmuyfinasparaprotegerelementos especficosdelainstalacin,fundamentalmente loselementoscitados.Seusa,porejemplo,con servovlvulasovlvulasproporcionales,quetienenunosrequerimientosdelimpiezaextremos.Se puedemontardirectamentedelantedeloselementossensibles.Tieneunfcilmantenimiento ya queestenposicinvisibledefcildesmontaje.Tienecomoinconvenientequehadeserrobusto pararesistirlapresinaqueestsometido,locualredundaenunmayorpesoy costo.Laperdida decargaesaltadebidoaquesupasoforzosamenteesfino,estogeneracalentamientodelaceite, lo cual exigiruna refrigeracinforzada. Figura3-22.Filtrode impulsino de presin. Filtroderetorno(figura3-23),alojadoaguasabajodeloscilindros,enlatuberaderetorno altanque, normalmente dispuesto enlatapasuperior delmismo. Generalmente llevan algn elementoindicadordesugradodesuciedad,comopuedeserunmanmetroounpresostato.Se dispone generalmente enparalelo conunavlvula antirretorno calibrada queseabrirenel momentoenqueelfiltrotengaungradodesuciedaddeterminado, desalojandoelaceiteporel puente.Dichavlvulatrabajacomosifueraunavlvuladeseguridadqueprotegeelfiltroyel sistema.Elinconvenientedelfiltrosituadoenelretornoesquecualquierpartculaquepenetreen eltanqueporelambientecircularenprimerlugarportodoelcircuito,bombas,tuberas,vlvulas y cilindros,antesdesereliminadoporel filtro.Adems,encasodepicosdepresiny arranqueen fro, permiteel paso de partculasde suciedada travsde la vlvulaantirretornodel puente. 36OLEOHIDRULICA Figura3-23.Filtrode retorno. Filtro dellenado, tambin llamado aireador porque garantiza que eldepsito est a presinatmosfrica,eselfiltrosituadoeneltapndellenadoquerealizaelfiltradodelaceitecon el que se llena el tanqueinicialmentey en las renovacionesperidicasdel mismo(figura3-24). Figura3-24.Filtrode prellenado. EL GRUPO HIDRULICO37 Laefectividaddeunfiltrosemideconelparmetrollamado|xsegnlapruebaMultipass (ISO4572).Estevalormideelcocienteentrelaspartculasmayoresquexmexistentesenel aceiteantesy despusdel filtro en 100 ml de aceite(figura3-25).Es decir: = n x n particulas > x m delante filtro particulas > x m detrs filtro Este valor es elque seusa enloscatlogos comerciales deelementos hidrulicos (bombas,vlvulas,actuadores)parasaberelfiltroquesernecesariousar.Porejemplo,enun catlogodebombasdeengranajesinternosseencuentraelsiguientedato:filtradocon|20 =200. Estoquieredecirquehadedisponerseunfiltroqueseacapazdeeliminarlaspartculasmayores que 20 mcon una eficienciade: (1-1/200)100= 99,5%. x p Tamaode las partculas(m) Suciedaddel filtro (g) Perdidade carga(bar) Figura3-25.Curvasde eficienciay capacidadde un filtro. 38OLEOHIDRULICA N de partculas por cm3 mayores que el tamao especificado Paraunavlvulaproporcional distribuidora serecomienda unaefectividad de|10>75; comoseobserva,lasexigenciasdelimpiezasonmayores(10m)paralavlvulaproporcional queparalabombadeengranajes.Paralabombapuedesersuficienteunfiltrodeaspiracinde menorexigencia,locualredundaraenquenoproduciraproblemasdecavitacinsisedispusiera elfiltroenlaaspiracin;sinembargolavlvulaproporcionalsehabrdeprotegerconunfiltrode mayorefectividaddifcilde instalaren la aspiracinde la bomba. Otrosparmetrosdefiltradoreferentesalgradodelimpiezadelaceite,sonlosindicados enlasnormasNAS1638eISO4406.EnelcasodelanormaNAS1638lostamaosdelas partculassedividenencincogrupossegnsutamao(entre5y 15m;1525;2550;50 100y>100m)yelgradodelimpiezadelaceiteoclaseindicaelmximonmerodepartculas queadmitesegneltamaodestas(clase00,0,1,2,12;enelordendemspuroams sucio).Porejemplolasservovlvulasrequierenunaclase4a6ylasvlvulasproporcionalesde8 a 9. EnelcasodelanormaISO4406seindicandosvaloresseparadosporunabarra,por ejemploclase18/14,queindicanlacantidaddepartculasenmilesdeunidadesmayoresde5m yde15m,respectivamente en100ml,deaceite(figura3-26).Enlatabla3-3seindicanlos valoresmximossegnla clase. Clasede contaminacin Tamaode partculasen m Figura3-26.Curvade calidadde limpiezade un aceitehidrulicosegnnormaISO4406. EL GRUPO HIDRULICO39 Componente Calidaddel aceitesegnISO 4406 Bombade engranajes 18/15 Bombade pistones 16/14 Electro-vlvuladistribuidora 18/15 Vlvulareguladorade presin 17/14 Vlvulareguladorade caudal 17/14 Vlvulaantirretorno 18/15 Vlvulasproporcionalesdistribuidorasy de presin 16/13 Regulador 16/13 Motorhidrulico 18/15 Tabla3-3. Calidadde aceiterequeridasegncomponentes. Lascifrasdelatabla3-4representanlacantidadmximadepartculasdesuciedaden 100 ml de fluidohidrulico Clasede pureza Tamaode partculaen m NAS 1638 5-15 15-25 25-50 50-100 >100 0012522410 025044820 1500891631 210001783261 3200035663112 44000712126224 580001425253458 61600028505069016 7320005700101218032 86400011400202536064 9128000228004050720128 102560004560081001440256 1151200091200162002880512 1210240001824003240057601024 Tabla3-4. ClasificacinsegnNAS 1638:las cifrasdel cuadrorepresentanla cantidadmximade partculasde suciedaden 100 ml de fluidohidrulico. 40OLEOHIDRULICA 4. ACTUADORES Comoenelcasodelaneumticasedenominanactuadoresaloselementosdelcircuito hidrulico que transforman laenerga hidrulica enmecnica; esdecir, setrata demotores hidrulicos.Se clasificanen: -Motoresalternativoso lineales,denominadoscilindros. -Motoresgiratoriososcilantes. -Motoresrotativos. Losmotoresrotativossonequivalentes alasbombastrabajandoensentidoinverso,es decir,convirtiendolaenergamecnicarecibidadelmotordearrastreenenergahidrulica.Los msempleadosson los de engranajesy los de pistonesaxiales. 4.1 Motoreslineales(cilindros) Setrata demotores depistn nico confuncionamiento linealalternativo, totalmente anlogosalosdeneumtica,salvandolasdiferenciasmotivadasporlaselevadaspresionescon que trabajan. Figura4-1. Ejemplode variostiposde cilindros. ACTUADORES41 L Seclasificanencilindrosdesimpley dedobleefecto,segnlaenergahidrulicarealiceel esfuerzo cuandoelmbolosedesplace enunooenlosdossentidos respectivamente. Enel primercasoelretornopuedehacerseconresorteosinl,enestaocasinelretornoseconsigue medianteun esfuerzoexterno.Los cilindrosmsusualesse representanen la figura4-1. Elvstagopuedesersimpleconunnicopuntodesalida;doble,condos;buzo,cuandoel vstagoyelmboloformanunanicapieza;ytelescpico,enelcasodequererconseguirlargas carreras.Loscilindrospuedentenersimpleodobleamortiguacinensusfinesdecarrera,obien carecerde ello. Un problema fundamentalde los cilindros hidrulicos es el pandeo debido a los importantes esfuerzosaquesevensometidos;portalmotivosusvstagostienenundimetro relativamenteimportanteconrelacinaldesumbolo,siendomuyfrecuentequesusrespectivas reasestnen la relacin1 a 2. El clculodel pandeose realizamediantela expresinde Euler: 2 E I F= p 2 p donde: Fp: Fuerzaen N a la que se producepandeo E:Mdulodeelasticidaddelmaterialconelqueestconstruidoelvstago,enel casodel aceroE = 2,11011N/m2 , es decir,en Pa. I:Momentodeinerciaenm4.Paraseccionestransversales circularesvale: I = d4 , 64 siendod el dimetrodel vstagoen m. Lp:longitudlibreal pandeoen m. Dependedel tipode fijacinquelleveel cilindro.Su valor se indicaen la cuadrosiguiente. 42OLEOHIDRULICA F F p Casodecarga segnEuler Un extremolibre, un extremo empotrado Dos extremos articulados F Un extremo articuladoy otro empotrado F Dos extremos empotrados Representacin LLLL grfica LpLp= 2LLp=L L Lp= 2 L = L 2 Tabla4-1. Longitudde pandeosegnel tipo de cargaaplicada. ConunafuerzaF=Fpseproducirpandeo,luegolafuerzadeserviciodeberdeser menorque Fp. Normalmentese tomacomocoeficientede seguridad3,5 de formaque: F =Fp 3,5 Otroaspectofundamentalenuncilindroessusujecinalaobramuerta,dadoqueeseste puntoelquehadesoportarlosmximosesfuerzoscuandoel cilindrolleguea susfinesdecarrera. Losdispositivos desujecindeseriesonabasedebridas,ejesdegiroocharnelas,rtulaso similares;se dirigeaqu al lectora los catlogoscomerciales. 4.2 Motoresde girooscilante Estosmotoresproducenunpardegiroenambossentidos,conunnguloderotacin limitado. ACTUADORES43 Consisten,como puede observarseen la figura 4-2 en un cilindro que dispone interiormentedeunabarraencremalleralimitadapordosmbolos;alintroducirelaceiteporunou otroladodelcilindro lacremallera arrastra aunpin, queasuvezhacegirarelelemento deseado(vlvula,volquete,puentelevadizo,). Figura4-2. Motorde giro oscilante Lacarrerayporlotantoelnguloderotacinpuedelimitarsedesdeelexteriormediante un tornillo. Trabajannormalmenteconunapresinmximode160bar,elmomentopuedealcanzar los 30.000Nm, siendosu velocidadde giro generalmentereducido. 4.3 Motoresrotativos de girocontinuo Comosehadichoanteriormente(3.2)lasbombasdedesplazamientopositivosonensu mayorpartereversibles,es decir,puedenfuncionarcomomotoreshidrulicoscon giro continuo. Losmotores hidrulicos convierten laenergahidrulica enenergamecnica. Paraun tamaodeterminadoladiferenciadepresindeterminarelpardelmotormientrasqueelcaudal definirlavelocidaddegiro.Obviamente lapotenciaeselproductodelparporlavelocidadde giro. Se puedenclasificaren tantostiposdiferentescomose ha hechocon las bombas. Estosmotoresposeenpardearranque,seregulasuvelocidadderotacinyparmotor desdecerohastasusvaloresmximos,puedenfuncionaravelocidadeslentasysoncapacesde trabajarenlosdossentidosdegiro.Suvolumenypesosonreducidos;noseestropeananteuna sobrecarga,ponindosede nuevoen marchacuandoaqullase reducey tienengran fiabilidad. Losmotoreshidrulicossoncasiparejosconlasbombashidrulicas,esdecir,puedenser de engranajesinternosy externos;de pistonesradialesy axiales. 44OLEOHIDRULICA Los motores de engranajes trabajan con unas presiones mximas de 250 bar, no superandosuparmotorlos300Nm.Losmotoresdepistonestrabajanconpresionesdehasta400 barconmomentosquepuedenalcanzarlos25.000Nm.Lacilindradapuedeservariableenel caso de los motoresde pistonesaxiales. Existenmotoreshidrulicosqueenlugardegirarsueje,rotasucarcasaenlaquepueden enrollarsecables,comoen el caso de las grasy otrasmquinas. Enlafigura4-3seacompaanlascurvascaractersticas quedefinenunmotorconcreto deengranajesinternosdeDanfoss.Enellasseobservanelpar,lavelocidaddegiro,elcaudaly la diferenciadepresinentrelaentraday lasalida,ascomolapotenciaabsorbiday surendimiento. Puedededucirsedelafiguraqueelparproporcionado porelmotorescasiindependiente dela velocidad degiro.Lazonasombreada esladenormalutilizacin ylanosombreada espara trabajarde maneraespordica. Figura4-3. Curvascaractersticasde un motorhidrulicode engranajesinternosDanfoss. Seutilizanenmaquinariaagrcolayforestal,minera,vehculosespeciales,gras,naves, mquinaherramienta,etc. Obviamente todomotor hidrulico requiere unabomba queproporcione elaceite ala presinrequerida.Porloquerequierenuncircuitohidrulico,stepuedeserabiertoocerrado,es decir,queelaceiteempleadoporelmotoryproporcionadoporlabombavuelvaatanqueobien retornedirectamentea la bomba. Enelcaptulo6apartado8seexplicanloscircuitosutilizadosunavezqueellectorhaya alcanzadolos conocimientossuficientespara entenderlos. VLVULASHIDRULICASY ACCESORIOS45 5. VLVULASHIDRULICASY ACCESORIOS Una primeraclasificacinde las vlvulaslas ordenaen: -Convencionales -Proporcionales -Servovlvulas Lasvlvulas,quizsmaldenominadas convencionales, sontodonada,esdecir,slo trabajanen sus posicionesextremaso en posicionesdeterminadas,siemprediscretas. Lasvlvulasproporcionalesy lasservovlvulassedistinguendelasconvencionalesporsu accionamiento, mientras enstasesmecnico oelctrico enlasotraseselectrnico conlas matizacionesque se explicanmsadelante.(Captulo7). Segnuna divisinen funcinde su uso las vlvulaspuedenser: -Direccionaleso distribuidoras(sealanel caminoque debeseguirel fluido) -De bloqueo(impideno controlanla circulacindel fluidoen uno de los sentidos) -De presin(controlanla presin) -De flujo (controlanel caudal) 5.1 Vlvulasdireccionales o distribuidoras Sirvenparacontrolarelarranque,laparadayelsentidodemarchadeloscilindros.Son similaresalascorrespondientes enlaneumtica.Comoentoncesexistendeasientoycorredera, con anlogascaractersticas,ventajas,inconvenientesy aplicaciones(figura5-1). Figura5-1. Comparacinentreel principiode correderay de asiento. 46OLEOHIDRULICA 5.1.1.1Vlvuladireccional de asiento Lasvlvulasdireccionalesdeasientotienenundesplazamiento corto,requierenbastante fuerza de accionamiento, poseen una perfecta estanquidad sin fugas; permiten trabajar con grandespresiones,no se agarrotan,su mantenimientoes fcil y tienenuna largavida. Elmandopuedesermanual,mecnicooelctrico,ademsdedirectoeindirecto.Existen dedos, tres ocuatro vas. Enlosdosprimeros casos pueden ser normalmente abiertas y normalmentecerradas.Suelentenersolapedefuncionamientoosuperposicinnegativa,esdecir enlaposicin intermedia estnencontacto lasdistintas vas.Porltimoelmandopuedeser directoo indirectomedianteun pilotajeque hace de servo. 5.1.1.2Vlvuladireccional de corredera Lasvlvulasdecorrederaposeenundesplazamiento mslargo,exigenpocafuerzade accionamiento,suestanquidadesmenor,puedentenerfugas,sondeconstruccinsencillayson aptaspara cumplirmltiplesfunciones. Comoenelcasodelaneumticasumandopuedesermanual,mecnico,medianterodillo opalanca,oelctrico,conelectroimnaccionadoporcorrientealternao continua.Aquseincluyen enelmismogrupotantolasvlvulasconvencionales, accionadas mecnica ohidrulicamente, comolas maniobradasmedianteelectroimanes,es decir,las electrovlvulas. Enlafigura5-2yenlafigura5-3seobservan unavlvuladecorredera maniobrada mediantepalancayotramedianteelectroimanes,respectivamente.Puedensermonoestables reposicionadaspor muelleo biestables. Enlaoleohidrulicalaprdidadecargaproducidaenunavlvulaadquierevalores notablemente ms elevados que en la neumtica, siendo por tanto importante conocer su magnitud.Enlafigura5-4yfigura5-5serepresentanlasprdidasdecarga,enordenadas,en funcindelcaudal,enabcisas,correspondientes alasvlvulasanteriormenterepresentadas. En ciertoscasoslasprdidasdecargadentrodeunavlvulasondiferentessegnel caminorecorrido porel aceitedentrodeaquella,tal comosemuestraenla mismafigura.Enestecasosonmenores enla circulacindeP aT queen lasrestantes,tal comose deducede la figura5-5;estose debea lamayorseccindepasoenesesentidoporlageometradelacorredera.Laposicincentralcon recirculacinhaciatanquehacequelabombatrabajeconmenorpotenciayademselaumento de temperaturadel aceitesea menor. VLVULASHIDRULICASY ACCESORIOS47 Figura5-2. Vlvula4/3 con recirculacinP-Ty accionamientopor palanca. Figura5-3. Prdidade cargaen la vlvulade la figura5-2. 48OLEOHIDRULICA Figura5-4. Electrovlvula4/3 con posicincentralconectandovasA y B a tanque. Figura5-5. Prdidade cargaen la vlvulade la figura5-4. Lacorredera delasvlvulas detresomsvaspuede tenergeometra diversa para cumplir diferentes misiones, consiguiendo deestaformaunagranversatilidad enestetipode vlvulas(figura5-6). Porotrapartesedistinguentrestiposdesuperposicin enelmomentodemaniobrarla vlvula:negativa,nulaypositiva.Enlanegativa(figura5-7)estnencontactotresomsvas simultneamente,enlasegunda(figura5-8)hay unasituacinfrontera,y enlatercera(figura 5-9) se cierrala conexinentreP y T antesde que se abra la existenteentreP y A. Enlasuperposicinnegativaeltransitoriodeunaposicina laotraessuave,peropueden llegaraaparecermovimientos indeseados enelactuadorquegobiernan, ademsdeexistirun consumononecesario. Enlasuperposicin positivaelactuadornopodrmoversedurantela maniobra de la vlvula. La superposicinnula se utiliza en servovlvulasy en hidrulica proporcionalpuesinteresaque un mnimocambiode la correderainfluyaen el flujo. VLVULASHIDRULICASY ACCESORIOS49 Figura5-6. Variacinde una vlvula4/3 en funcinde las diferentescorrederas. 50OLEOHIDRULICA TPA carcasa corredera X1> X2 Figura5-7. Superposicinnegativa. TPA carcasa corredera X1= X2 Figura5-8. Superposicinnula. TPA carcasa corredera X1< X2 Figura5-9. Superposicinpositiva. VLVULASHIDRULICASY ACCESORIOS51 Cuandoel dimetrode una vlvulaes grandese requiere,sobretodo en las electrovlvulas, queelmandoseaindirecto, esdecirqueloselectroimanes abranunavlvula auxiliardetamaoreducidoy stasealaque,asuvez,abraocierrelavlvulaprincipaldemayor tamao (figura 5-10). Entonces sedicequeelmando esindirecto, demanera anloga ala neumtica. Figura5-10.Vlvuladistribuidora4/3 de mandoindirecto. 5.2 Vlvulasde bloqueo Tienencomofinalidadimpedirodificultar,enunapalabracondicionar,lacirculacindel aceiteenunouotrosentido.Entreestasvlvulasseencuentranlasantirretornoylasantirretorno con aperturahidrulica. ANTIRRETORNO. Sonvlvulassimilaresalasdeneumtica,permitenlacirculacindelfluidoenunsentido y la impidenen el contrario.Existensin resortey con resorte(figura5-11). Figura5-11.Vlvulaantirretorno. 52OLEOHIDRULICA ANTIRRETORNO CON APERTURA HIDRULICA. Setratadeunasvlvulasquepermitenlacirculacindelfluidoenunsentidoylaimpiden enelcontrario,peropuedeeliminarseesteimpedimento medianteunpilotaje.Enlafigura5-12 puedeobservarseclaramentesu funcionamiento. Figura5-12.Valvulaantirretornocon aperturahidrulica. Enlaposicindecierreelmuelleestempujandolabolacontrasuasiento.Sepermiteel pasodesdeA a B peronodesdeBhaciaA.Siseaplicapresina la vapilotoX entoncesel pistn empujala bola contrael muellepermitiendopasarel fluidode B haciaA. Estavlvulaseutilizaenelcasoenelqueserequiereimpedirendeterminados momentos, eldesplazamiento deuncilindroenunsentido,mientrasqueenotrosinstanteses necesarioanulartalimpedimento.Enelcasodelcircuitodelafigura5-13sedeseaimpedirquela cargaF descienda. VLVULASHIDRULICASY ACCESORIOS53 A 1 A A 2 1V3 1A 1V4 A BP A B F = mg 1V1 B 1V2 A AB ab PT Figura5-13.Circuitocon vlvulaantirretornocon aperturahidrulica. 5.2.1.1Vlvulaantirretorno pilotadadoble Existen enelmercado elconjunto dedosvlvulas antirretorno conapertura hidrulica montadas enunmismobloque, talcomoseaprecia enlafigura5-14.Seutilizan cuando se requierendos vlvulasde este tipo para los dos ladosde un actuador. Figura5-14.Vlvuladobleantirretornocon aperturahidrulica. 1.Cuerpode la vlvulao carcasa 2.Pistnde empujede eliminacindel antirretorno. 54OLEOHIDRULICA A2 3.Asientode la vlvula 4.Conode cierre 5.Muelle Funcionamiento: La vlvula est formada por dos mitades simtricas que son sendos antirretornos pilotados.Enlaposicinestableelconodecierre(4)estempujandocontraelasiento(3)porla accindelmuelle(5).ElcaudalpuededirigirsedesdeB1a B2,peronoensentidocontrariodeB2a B1.LomismosucederenlaotravlvulaquepermitirelsentidodelflujodeA1 aA2 peronoel contrario.AhorabiencuandosecomunicapresinaA1oB1sedesbloquealaposicindecierre del otro antirretornoy permiteel flujo de B2 a B1 o de A2 a A1 respectivamente Unproblema atenerencuentaconestetipodevlvulas eslaposibilidad dequese genereungolpedearieteenelcierrebruscodedichavlvula,ydadoqueseesttrabajandoa presiones elevadas pueden originarse sobrepresiones inadmisibles queproduzcan roturas de tuberasoelementosdevlvulas.Paraatenuarloseinstalaaguasarribaunavlvulaantirretorno con estrangulamientoen paralelo(figura5-15). 2A 100/56 x 300 2S1 B A30x4 A 30x3 2V3 B B2 2V2 A1B1 AB 2V1 PT Figura5-15. VLVULASHIDRULICASY ACCESORIOS55 5.2.1.2Vlvulade prellenado Setratadeunavlvulaantirretornoconaperturahidrulica,degrantamao,yportanto capazdetrasegar ungrancaudal, quetienecomofinalidad llenarcilindros degranvolumen mediante gravedad, directamente deundepsito elevado. Conestasolucin serequiere una bombademenoscapacidadconelconsiguienteahorro,puessinohabradeinstalarseunabomba quetrasegaraelcaudalnecesarioparallenarelcilindro,quecomosehadichoesdegrandes dimensiones. Enlafigura5-16sepresentauncircuitocorrespondiente aunaprensahidrulica, que dispone deuna vlvula deprellenado (1V3); sta prensa hadehacer ungran esfuerzo de compresinyademsrequierenormalmenteunacarreralarga.Estascondicionesexigeninstalar uncilindro(1A2)degranseccin,carreralargay,porlotanto,volumenimportante.Porotraparte estecilindroconvienequecuandotrabajasincargaavancerpidamenteycuandodebarealizarel granesfuerzosedesplacelentamente.Elcircuitotiene,asuvez,doscilindrosauxiliares1A1y 1A3 con las misionesque ahorase vern. Pues bien,cuando lavlvula 1V1secoloca ensuposicin a,elvstago delcilindro principal,ayudadoporloscilindrosauxiliares,sedesplazahaciaarriba,esdecir,despusdehaber realizado elesfuerzo, conelloelaceitesituado enlacmara delcilindropasaatravsdela vlvulade prellenado,abiertagraciasal pilotaje,haciael depsitosuperior. Cuandosedeseaqueelvstagodesciendalavlvula1V1sedisponeensuposicinb,en primerlugarentraaceiteenlascmarascircularesdeloscilindrosauxiliares1A1y 1A3y elaceite almacenado eneldepsito pasa atravs delavlvula deprellenado llenndose lacmara superiordelcilindro1A2simplementeporgravedadyporlasuccingeneradaenlacaracircular de 1A2 cuandose desplazahaciaabajo. Asseefectaelavancerpidodeloscilindroshastaelmomentoenqueencuentranuna resistencia,apartirdeahseincrementalapresinenloscilindrosauxiliareshastaquealcanzaun valorquehaceabrirlavlvuladesecuencia(1V2),llegandoentoncesaceitealcilindroprincipal queteniendoencuentasugransuperficieeselquefundamentalmenteefectaelgranesfuerzo requerido. 56OLEOHIDRULICA 1V3 X A A P B P 1V2 A AA 1A1 1A2 1A3 B B 1V1AB ab 1Y1PT1Y2 0V 0Z1 T P 0 P 0P10M1 S Figura5-16.Aplicacinde una vlvulade prellenado. VLVULASHIDRULICASY ACCESORIOS57 Figura5-17.Vlvulade prellenadode BOSCH-REXROTH. Lavlvuladeprellenado funciona comosigue(figura5-17):Ensituacin dereposoel obturador3apoyasobresuasientosuperiorsinquepuedapasarelaceiteensentidoalguno.En elmomentoenquesecreaunapequeadepresinenlacarainferiordelobturadoraldescender elmbolode1A2,elobturadorsedesplazahaciaabajo,abriendounaseccindegransuperficiey permitiendoel paso del aceitedel depsitopor la va A al cilindro. Cuando elcilindro 1A2llegaaltopegenerado porlapiezaaprensar, elaceiteenl contenidoaumentadepresin,ycomoconsecuencia elobturador3delavlvuladeprellenado apoyasobresu asiento,impidiendoque el aceitecirculehaciaA. PorelconductoPdedichavlvulaseconduceelaceiteprocedentedelabombahacia 1A2 generandoel gran esfuerzonecesario. CuandoelpilotajeXrecibepresinactasobreelcilindro2delavlvuladeprellenado haciendoqueelobturador3desciendaypermitalacirculacindeaceitedeBhaciaeldepsito superiorpor A. 5.3 Vlvulasde presin Entrelasvlvulasquecontemplanlapresincomoparmetroacontrolar,seencuentran lasquelalimitan,lasquerealizanlaconexinodesconexindeunsistemasegnaquellaylas que reducenla presin. 5.3.1Vlvulalimitadora de presin Eslavlvulamsimportantedetodocircuitohidrulicoporlalabordeseguridadquetiene encomendada.Su funcineslimitarla presinde un circuitoa un valormximoque se puedetarar 58OLEOHIDRULICA dentrodesurangodefuncionamiento. Siempresecolocaunainmediatamente aguasabajode cadabombadecaudalconstante.Enlasbombasdecaudalvariablelavlvulalimitadoraforma partedelapropiabomba.Sufuncionamientoeselsiguiente.CuandoporlabocaP(figura5-18) nosealcanzalapresinsuficienteparavencerlafuerzadelmuelle,regulablepormediodeun tornilloexterno,lavlvulaseencuentracerrandoelpasodePhaciaT.Enelmomentoenque dichapresin alcanza elvalordetarado, sevencer lafuerzadelresorte, elobturador dela vlvula abrir, deforma queparteolatotalidad delcaudaldelabombairhaciaeltanque, consiguiendoque la presindel sistemase mantengapor debajodel lmitefijado. Esconvenienterecordarquecuandosealimentadeaceiteauncilindroy stellegaauno desusfinesdecarrera, labombasigueproporcionando aceite,loqueharaincrementarse la presin indefinidamentehasta que aquello estallarapor el lugar ms dbil. Por ello es absolutamente necesariolimitarlaentradadeaceitealcilindroyestoseconsigueabrindosela vlvulalimitadorade presinderivandoel aceitedirectamentea tanque. Setratadelasvlvulasdeseguridadqueseabrencuandosealcanzaunadeterminada presinde consigna.Se disponenen derivacinhaciatanque. Figura5-18.Vlvulalimitadorade presino de seguridad. Lascurvascaractersticas deestasvlvulasquedefinensuprdidadecargaenfuncin delcaudal,dependendelajustedeltornilloexterno.Eltaradodelavlvulasehaceconconsumo nulo,esdecir,cuandotodoelcaudaldelabombasedirigeporlavlvulaatanque.Porejemplosi setieneunabombade5l/minysetaralavlvulaaalgomsde50bar(5MPa)sepuede comprobarquesegnlacurvacaractersticadelavlvulacuandolapresinllegaaunos45bar (4,5MPa)lavlvuladeseguridadempezaradejarpasarpartedelcaudalhaciaeltanque.De estaformaelcaudaldelquesedispondrenelsistemasermenorqueelproporcionadoporla bomba(figura5-19). VLVULASHIDRULICASY ACCESORIOS59 Figura5-19.Prdidasde cargade una vlvulade seguridadcon diferentestarados. Otracaractersticaatenerencuentadeestasvlvulasesqueenellasseproduceloque sedenominaunalaminacindelfluidohidrulico,esdecir,elfluidopasadeunapresingrandea una presin cercana alaatmosfrica enunespacio pequeo. Esta prdida deenerga se transforma encalor haciendo aumentar latemperatura delfluidoyporconsiguiente haciendo variarsuviscosidad.Paraevitaresteproblema,si esposiblesedebertendera trabajarsiemprea presionesbajas,utilizandoslolapresinmximadelsistemaenaquellosmomentosenlosque se necesite. Estetipodevlvulasexistenconmandodirectocomoladelafigura5-20yconmando indirecto,usadasparacaudalesgrandes,deformaquelospistonesdecierredebensermayoresy por lo tantotambinlas fuerzasde aperturay cierre(figura5-20). A Figura5-20. Vlvulalimitadorade presinde mandoindirecto 60OLEOHIDRULICA Comotodosloscasosdemandoindirecto,enprimertrminoseabreunavlvulaauxiliar de reducidotamaopor la que pasa el aceiteque a su vez abre la vlvulaprincipal. Lasvlvulaslimitadorasdepresinpreaccionadas constanbsicamentedeunacarcasa (7) y de una o dos vlvulasde presintipo cartucho. El ajustede la presindel sistemase realizamedianteel conjunto(4). Enposicindereposolasvlvulas estncerradas. Lapresinenlaconexin Pacta sobreelpistn(1).Simultneamentelapresinactaatravsdelatobera(2)sobreelladodel pistn(1) cargadoporelresorteyatravsdelatobera(3)sobreelconodepilotaje(6).Sila presinenlavaPalcanzaunvalorsuperioral taradoporel resorte(5),seabreel conodepilotaje (6).Elfluidocirculadesdeelladodelmbolo(1)cargadoporelresorte,atravsdelatobera(3)y lava(8)haciaeltanque(T).Ladiferenciadepresinproducidadesplazaalpistn(1)yabrela vinculacinde P haciaT manteniendola presintaradaen el resorte(5). Eldrenajedeaceitepilotodeambascmarasdelresorteseconduceexternamente a travsdel canalT. 5.3.2Conectadoras y desconectadoras (vlvulasde secuencia) Setratadevlvulasdispuestasenseriequeseabrenocierrancuandosealcanzauna determinadapresin.Sonmuyparecidasalaslimitadorasdepresinconladiferenciadequeen lugardeevacuara tanqueel aceitesedirigeal lugarqueserequiera(figura5-21)y no se produce la laminacinde las anteriores. A Figura5-21.Vlvulade secuenciade pilotoexterno. 5.3.3Reductoras de presin Sonaquellasvlvulascuyamisinesobtenerunapresinconstantedesalida,regulable desdeelexterior,independientemente delvalordelapresinalaentradaaunquestaflucte, con la salvedadde que sta ha de ser siempresuperiora aqulla. VLVULASHIDRULICASY ACCESORIOS61 5.3.3.1Vlvulareductora de presinde 3 vas Enestavlvula(figura5-22)lapresindesalida(vaA)semantieneconstanteaunquela presindeentradaflucte,mientrasquestaseasuperioraaqulla.Si lapresinenA aumentala correderasedesplazahacialaderechahaciendoqueelpasodePaAtengaunaseccinmenor, como consecuencia aumenta laperdida decarga ylapresin enAdesciende hastaquese restablecelapresinrequerida.SiporelcontrariolapresinenAdisminuyeelpistndelavlvula sedesplazahacialaizquierdahaciendoqueelorificiodepasodePaAaumente,disminuyala prdidade cargay, por lo tanto,tambinla presinhastaalcanzarel valorde consigna. Estos aumentos y decrementos de presin son fenmenos transitorios. Cuando el consumo(vaA)esnulo,lapresinaumentary elpistnsedesplazarhaciala derechacerrando elpasodePaA,manteniendo lapresinregulada.SiporcualquiercausadichapresinenA llegaraaunvalorlmitedeterminadoelpistndelavlvulasedesplazaramshacialaderecha poniendoenconexinlavaAconTfuncionandoascomovlvulalimitadoraconsentidoinverso. Esdecircomosielactuadorfuncionara comobomba,desalojando elexcesodeaceite.Esta combinacin dereduccin ylimitacin delapresin permite regular lapresin desalida sin consumode caudal. Figura5-22.Vlvulareductorade presinde 3 vas. Obsrvese queelsmbolodeestavlvuladifieredelavlvulalimitadoradepresinen variosaspectos. Enprimerlugarhayquetenerencuentaquelapresinqueseregulaenla vlvulareductora,quehacebalanzacontraelmuelle,eslaqueexisteaguasabajodelavlvula,y noladeaguasarribaqueeselcasodelalimitadora depresin.Enelsmbolodelavlvula reductoraelpilotajepartedeAmientrasqueenlavlvulalimitadoralohacedeP.Ensegundo lugarlaflechatienedossentidosenlareductoramientrasqueenlalimitadoratanslotieneuno, eldePaT.Adems tiene3vasynodosylaflechaestcolocadaconectada alatomaP mientrasqueenlalimitadoraestdesconectada.Unavezmsel smboloexplicaperfectamenteel funcionamientode la vlvula. Estavlvula posee doscurvas caractersticas, unacomoreductora depresin yotra similara la de una vlvulalimitadoracuandoel caudalva de A a T (figuras5-23 y 5-24). 62OLEOHIDRULICA Las vlvulas reductoras se utilizan siempre que haya que alimentar aun elemento consumidor conunapresinmsbajaquelacorrespondiente presindelsistema. Comouna vlvula reductora depresin noesotracosaqueunavlvuladeestrangulacin, hacequeel caudalhaciaelconsumodisminuyaenfuncindelapresin.Otracuestinatenerencuentaes quelatomadefugasLyladetanqueTsolopodrnirunidasenelcasoenqueenTnohaya presinapreciable,de lo contrariodichapresinafectaraa la cmaradel muelle. Figura5-23.Curvacaractersticade una vlvulareductorade presinfuncionandocomotal (De P a A). Figura5-24.Curvacaractersticade una vlvulareductorade presin,funcionandocomo limitadora(De A a T). VLVULASHIDRULICASY ACCESORIOS63 5.4 Vlvulasde caudal Lasvlvulasdecaudaltienencomofinalidadmodificaroregularelcaudal.Sedividenen vlvulasestranguladorasy en vlvulasreguladorasde caudal. Enlasvlvulasestranguladoras elcaudalesfunc