Hidráulica en Maquinaria Pesada: Componentes y Control del Sistema

CENTRO INDUSTRIAL DEL DISEÑO Y LA MANUFACTURA
COMPETENCIA: HIDRÁULICA MAQUINARIA PESADA
INSTRUCTOR: MSc FABIAN HORACIO DIAZ PALENCIA
NOMBRE DEL APRENDIZ:
NUMERO FICHA:
FECHA:
ACTIVIDADES DE REFLEXIÓN INICIAL
Lectura completa del tema suministrado digitalmente por el instructor: El aprendiz reflexiona acerca
del funcionamiento y componentes de un sistema hidráulico, para despertar interés y motivación
sobre toda la temática que se va a desarrollar.
Objetivos
Al terminar está lección, el aprendiz estará en capacidad de:
1. Identificar los tipos de componentes básicos en sistemas hidráulicos.
2. Describir la función de los componentes básicos en sistemas hidráulicos.
3. Leer un esquema hidráulico.
Componentes de un sistema hidráulico
Grupo de generación → Bombas: elementos que transforman la energía mecánica en
hidráulica.
Grupo de control y regulación: encargados de regular y controlar los parámetros del sistema
(presión, caudal, temperatura, dirección, etc.).
Grupo de Actuación: son los elementos que vuelven a transformar la energía hidráulica en
mecánica.
Grupo de conexión y accesorios: son el resto de elementos que configuran el sistema
(tuberías, filtros, intercambiadores de calor, depósitos, acumuladores de presión, manómetros,
presostatos, etc.).
Bombas hidráulicas.
Una bomba es un dispositivo que permite transformar energía mecánica, en energía del fluido en
movimiento. De manera que este dispositivo requerirá una fuente motriz que provea energía
mecánica. (Tal como un operador, un motor ya sea de combustión interna o eléctrico); estas pueden
ser:
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1. Bombas de desplazamiento no positivo
Usadas para transporte de fluidos, su órgano propulsor no contiene elementos móviles;
desplazan una cantidad variable de líquido dependiendo de la presión del sistema. A mayor
presión menor cantidad de líquido desplazará. A este caso pertenecen las bombas
centrífugas, cuyo elemento propulsor es el rodete giratorio. En este tipo de bombas, se
transforma la energía mecánica recibida en energía hidro-cinética imprimiendo a las
partículas cambios en la proyección de sus trayectorias y en la dirección de sus velocidades.
2. Bombas de desplazamiento positivo
En los sistemas dónde sea necesaria la transmisión de potencia hidráulica NUNCA se
emplean bombas de desplazamiento negativo.
Se dice que una bomba es de desplazamiento positivo, cuando su órgano propulsor contiene
elementos móviles de tal modo que en cada ciclo de trabajo se genera un volumen, conocido
como desplazamiento o cilindrada que en algunos casos puede llegar a ser variable.
Desplazan una cantidad constante de fluido, independientemente de la contrapresión que
pudiera presentarse en la a la salida (presión del sistema), por tal motivo debe permanecer
la descarga abierta, ya que una obstrucción, aumentará la presión interna hasta alcanzar
valores que pueden ocasionar la rotura de la carcasa de la bomba; también debe instalarse
inmediatamente después de la bomba una válvula de alivio o de seguridad que permita
realizar la descarga a tanque del fluido en caso que este no pueda fluir más en el sistema.
Figura 1 Aplicación de una bomba de desplazamiento positivo
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Figura 2 Bomba de desplazamiento positivo de caudal variable y compensada
A su vez las bombas de desplazamiento positivo se pueden clasificar de acuerdo a su
principio de construcción en:
Figura 3 Clasificación de bombas hidráulicas de desplazamiento positivo
Como dato técnico se puede distinguir la admisión de la descarga por sus secciones, (la
sección del orificio de admisión es mayor que el de presión), a excepción de las bombas de
giro bidireccional donde ambos orificios presentan el mismo diámetro.
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Regulación y control
Las válvulas de control direccional
Se usan para enviar o distribuir el aceite a circuitos diferentes, separados o aislados en un sistema
hidráulico. Al hacer uso de una válvula de control direccional se deben considerar la capacidad
máxima de flujo y la caída de presión a través de la válvula. Las válvulas de control direccional
pueden ser accionadas mediante controles manuales, hidráulicos, neumáticos, electrónicos o una
combinación de ellos.
La válvula de control direccional más sencilla es la válvula anti-retorno que permite la dirección de
flujo en un solo sentido y lo retiene en la dirección contraria, por otro lado, la anti-retorno pilotada
permite el flujo en ambas direcciones gracias a la acción de una señal piloto hidráulica proveniente
de la línea contraria.
Figura 4 Aplicación de una válvula cheque pilotado para sostenimiento de carga
A
B
X
X
A
B
A
B
LO AD
P
T
Otras válvulas de control direccional típicas como la que se muestra en la figura 5, en estas válvulas
es importante mencionar que no se regula ni caudal ni presión, sólo la dirección del aceite.
Figura 5 Corte y símbolo ISO de una válvula direccional 4/2 (cuatro vías y dos posiciones)
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Hay distintos tipos de válvulas de control direccional y la elección de su configuración depende del
número de posiciones que pueden adoptar, del número de vías, de la cantidad de aceite que deban
distribuir, de la forma de accionamiento y del desplazamiento del spool (discreto o continuo).
Gráficamente el número de posiciones que puede tener una válvula direccional se representa con
cuadrados y el número de vías corresponde a la cantidad de puertos de conexión y pueden ser de
paso, de bloqueo o una combinación de ellos.
Figura 6 Accionamientos, número de posiciones y vías
Las válvulas de control de presión
Las válvulas de control de presión tienen diferentes funciones dentro de un sistema:
✓
✓
✓
✓
Limitar la presión máxima, es decir, trabajar como válvulas de seguridad.
Reducir la presión en determinados puntos del sistema.
Para generar una caída de presión en algún otro punto del sistema.
Para descargar parte del aceite al tanque cuando el sistema sobrepasa una determinada
presión.
Básicamente son válvulas de una posición y dos vías, accionadas hidráulicamente y posicionadas
por resorte. Su representación esquemática es un cuadrado con una flecha que lo cruza y un resorte
en la parte superior con otra flecha indicando que es regulable.
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Figura 7 Representación esquemática de una válvula de control de presión
Los tipos de válvulas usadas para el control de presión son:
1. Válvulas de alivio.
Estas válvulas se encargan de regular la presión máxima en un sistema hidráulico
descargando a tanque el aceite.
Figura 8 Válvula de alivio en un sistema hidráulico
T
A
B
P
T
P
2. Válvulas de secuencia.
Estas válvulas permiten que se realice cierto trabajo en un sistema hidráulico cuando se
alcance un determinado valor de presión en el sistema.
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Figura 9 Válvula de secuencia en un sistema hidráulico
B
A
X
P
A
Y
T
A
B
P
T
P
3. Válvulas de descarga.
Permite descargar a tanque una línea mediante una señal hidráulica remota.
Figura 10 Válvula de descarga en un sistema hidráulico
B
P
T
X
A
X
B
T
A
B
P
T
A
P
B
X
A
P
T
4. Válvulas de contrabalance o “holding valve”.
Son válvulas que permiten el manejo de cargas verticales y ayudan a que su movimiento
sea suave y controlado, pueden ser de acción directa, de acción remota o de frenado (usada
en motores hidráulicos)
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Figura 11 Válvula contrabalance de acción directa en un sistema hidráulico
B
P
T
X
A
X
B
T
A
B
P
T
A
P
X
B
A
T
P
5. Válvulas reductoras de presión.
Son válvulas que garantizan un valor de presión fijo a la salida cuando el valor de presión
en la entrada es mayor.
Figura 12 Válvula de reductora de presión en un sistema hidráulico
B
A
X
A
A
P
B
A
P
Y
T
A
B
P
T
P
Las válvulas de control de caudal o flujo
La velocidad de un actuador es directamente proporcional al caudal; las válvulas de control de flujo
son usadas para regular la velocidad de un cilindro o un motor hidráulico, estas pueden ser de orifico
fijo u orificio variable
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Figura 13 Válvulas de orificio variable y fijo y sus símbolos ISO
El flujo a través de un orificio se ve afectado por tres factores:
•
•
•
Tamaño del orificio
Diferencial de presión a través del orificio
Temperatura del fluido
Se puede efectuar tres tipos de regulación de caudal en un sistema hidráulico
Circuito de regulación a la entrada
•
Este método es muy preciso y se utiliza en aquellas aplicaciones donde la carga siempre se
opone al movimiento del actuador, tales como la elevación de un cilindro vertical con carga,
o empujar una carga a una velocidad controlada
B
A
T
A
B
P
T
P
Circuito de regulación a la salida
•
Este sistema de control se utiliza cuando la carga tiende a huir del actuador, desplazándose
en la misma dirección que éste. El regulador de caudal se instala de forma que restrinja el
caudal de salida del actuador.
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A
B
T
A
B
P
T
P
Circuito de regulación a por substracción
•
En esta aplicación, la válvula se coloca en la línea de presión, como se muestra en
la figura, y la velocidad del actuador se determina, desviando parte del caudal de la
bomba al tanque; la ventaja consiste en que la bomba trabaja a la presión, que pide la
carga, puesto que el exceso de caudal retorna al tanque a través de la válvula
reguladora y no a través de la válvula de seguridad. La desventaja está en la pérdida
de precisión, debido a que el caudal regulado va al tanque y no al actuador. Este circuito no
debe aplicarse cuando hay posibilidad de que la carga tienda a huir en la misma dirección
que el movimiento del actuador.
B
A
T
A
B
P
T
P
Cilindros hidráulicos
Introducción
En su forma más simple, los cilindros son actuadores lineales. Sus salidas son movimiento o fuerza
en línea recta. Los tipos más comunes son los cilindros de simple acción o efecto y los cilindros de
doble acción o efecto El cuerpo del cilindro es la caja externa tubular y contiene el pistón, los sellos
del pistón y el vástago (varilla cromada).
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Los cilindros de simple efecto son aquellos que pueden efectuar trabajo solamente en una dirección,
ya sea en la extensión del vástago (cuando sale) o en la retracción del vástago (cuando entra) la
figura muestra el símbolo ISO de un cilindro de simple efecto.
Figura 14 Símbolo ISO de cilindro de simple efecto y de simple efecto de retorno por resorte
Los cilindros de doble efecto son aquellos que pueden efectuar trabajo tanto en la extensión del
vástago (cuando sale) como en la retracción del vástago (cuando entra) la figura muestra el símbolo
ISO de un cilindro de doble efecto y una aplicación del mismo
Figura 15 Aplicación y símbolo ISO de un cilindro de doble efecto
Principio de pascal
La ley de Pascal es el principio básico con el cual se estudian los sistemas de potencia fluida y
establece lo siguiente: cuando se aplica una presión en un fluido confinado la presión que se induce
se transmite por igual en todas las superficies que están en contacto con el fluido. Teniendo en
cuenta que la presión si determina como fuerza por unidad de superficie tenemos lo siguiente.
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Tanques hidráulicos
Introducción
En la aplicación de sistemas hidráulicos es de gran importancia el tipo, el tamaño y la ubicación del
tanque o depósito de aceite hidráulico; este no es más que un lugar de almacenamiento del aceite
hidráulico, donde se ayuda a enfriar el aceite, permite sedimentar la contaminación y ayuda a
separar o remover el aire del aceite.
Figura 16 Tipos De tanques hidráulicos
ACTIVIDADES DE CONTEXTUALIZACIÓN
1. Se desea elevar un cuerpo que pesa 14700 N utilizando una elevadora hidráulica de plato
grande circular de 0.8 m^2 de área y plato pequeño circular de 0.0314 m^2 de área. Calcula
cuánta fuerza hay que hacer en el émbolo pequeño para elevar el cuerpo.
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2. Calcula la fuerza obtenida en el pistón mayor si en el menor se aplican 250 lb, el área del
pistón menor es de 4 pulg^2 y el área del pistón mayor es 16 veces más grande que el
menor.
3. En la imagen tenemos un coche que pesa 9800 N encima de un disco con un área de 2.57
metros cuadrados y por otro lado tenemos otro disco de 0.785 metros cuadrados Cual es el
valor de la fuerza F1
4. Realice las conversiones:
a. 7890 pascales → psi
b. 1900 psi → bares
c. 197850 pascales → bares
d. 780 bares → psi
e. 580 psi → pascales
f. 600 bares → pascales
5. Calcule el dato que falta
a. 148 N; 0.02 m^2
b. 278910 pascales; 300 N
c. 685472 pascales; 0.5 m^2
d. 8 pulg^2; 1500 psi
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e. 3000 psi; 750 lb
f. 1158 lb; 4.5 pulg^2
6. ¿Qué presión será necesaria para sostener la carga en ambos casos?
7. Mencione tres sistemas en un equipo pesado en cuya aplicación se usen principios
hidráulicos.
a. ____________________________________
b. ____________________________________
c. ____________________________________
8. Mencione dos ventajas de usar líquidos en los sistemas hidráulicos.
a. ____________________________________
b. ____________________________________
9. Cuál es la presión en cada manómetro.
10. Escriba tres funciones del tanque hidráulico.
a. _________________________________________
b. _________________________________________
c. _________________________________________
11. Explique para qué se usa la válvula de alivio.
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________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________
12. Un resorte de ajuste variable mantiene cerrada el obturador de la válvula de alivio.
a. Verdadero.
b. Falso.
13. Explique la diferencia entre la válvula de retención o anti retorno pilotada y la válvula de
retención o anti retorno no pilotada.
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________
14. Dos aspectos que se deben tener en cuenta al usar una válvula de control direccional.
a. ___________________________________
b. ___________________________________
15. Única pieza que se mueve en una válvula de control direccional. __________________
16. En el símbolo ISO de la válvula direccional básica, el número de rectángulos representa el
número de ____________ que puede cambiar la válvula.
17. En el símbolo ISO de la válvula direccional básica, las líneas y las flechas dentro de los
rectángulos representan básicamente ___________________________ entre los orificios.
18. La imagen corresponde a un:
a. Vacuómetro
b. Manómetro
c. Reloj de presión
19. La imagen corresponde a un:
d. Reloj de presión
e. Manómetro
f. Barómetro
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20. El flujo a través de un orificio se ve afectado por: Tamaño del orificio; Diferencial de presión
a través del orificio; densidad del fluido.
c. Verdadero.
d. Falso.
21. La presencia de aire en el fluido hidráulico no influye en la operación del sistema.
e. Verdadero.
f. Falso.