Tema 46 – Automatismos hidráulicos. Fundamentos de la hidráulica. Compresión de líquidos. Componentes hidráulicos. Valores característicos en los circuitos. Electrohidráulica: técnica de mando. Desarrollos secuenciales.

Tema 46 – Automatismos hidráulicos. Fundamentos de la hidráulica. Compresión de líquidos. Componentes hidráulicos. Valores característicos en los circuitos. Electrohidráulica: técnica de mando. Desarrollos secuenciales.

INDICE.

  1. INTRODUCCION
  1. FUNDAMENTOS DE LA HIDRAÚLICA.
  1. COMPONENTES HIDRÁULICOS

3.1 Unidad hidráulica

3.1.1 El tanque

3.1.2 Filtros y coladores

3.1.3 Sistema de accionamiento

3.1.4 Bombas

3.2 Elementos de transporte. Valores característicos de los circuitos

3.3 Elementos de regulación y control

3.3.1 Válvulas distribuidoras

3.3.2 Válvulas reguladoras de caudal

3.3.3 Válvulas reguladoras de presión

3.4 Elementos accionadores

3.4.1 Cilindros

3.4.2 Motores

  1. ELECTROHIDRÁULICA: TÉCNICA DE MANDO
  1. DESARROLLOS SECUENCIALES
  1. CONCLUSIÓN

1. INTRODUCCIÓN

La hidráulica es una ciencia que ha estado permanentemente ligada a la humanidad. Sus primeras aplicaciones técnicas van abarcan desde el simple arrastre de un tronco por un río hasta la rueda hidráulica que utiliza la corriente fluvial para mover la rueda de un molino. Tras estas primeras aplicaciones, la hidráulica tiene una gran difusión en la industria moderna como elemento de transmisión y conversión de energía siendo hoy por hoy una técnica imprescindible en el funcionamiento de gran serie de maquinaria como prensas, ascensores, máquinas-herramientas, automóviles, maquinaria de obra civil…etc.

2. FUNDAMENTO: COMPRESIÓN DE LÍQUIDOS

Pero… ¿qué es la hidráulica y cuales son las razones que hacen de ella una técnica tan utilizada en la industria?

La hidráulica utiliza un líquido sometido a presión para, según la ley de Pascal, poder transmitir energía multiplicando la fuerza mediante modificación del desplazamiento. De forma general el fluido utilizado será aceite por lo que tiene más sentido hablar de oleohidráulica. Las ventajas de la oleohidraúlica con respecto a otros sistemas los podemos resumir como:

1. Flexibilidad de operaciones. El empleo del flujo hidráulico como elemento de accionamiento y gobierno de máquinas ha sustituido con ventaja a gran número de órganos mecánicos como palancas, árboles de transmisión, engranajes…etc. ganando en simplicidad y reduciéndose los problemas de desgaste y mantenimiento.

2. Variabilidad de la velocidad. Los actuadores hidráulicos, ya sean lineales o rotativos, pueden moverse a velocidades variables mediante una simple regulación del caudal, suponiendo esto una gran ventaja con respecto a los sistemas mecánicos y eléctricos. Pero además los líquidos en general pueden ser considerados fluidos incompresibles, es decir que no varían su densidad prácticamente. Así, el aceite hidráulico se comprime aprox. 0,5% a una presión de 70 bares, lo que es prácticamente despreciable. Esto permite alcanzar velocidades muy lentas de los cilindros hidráulicos, imposibles de conseguir con los puramente neumáticos debido a la compresión del aire.

3. Reversibilidad. Los actuadores hidráulicos pueden invertir su movimiento de forma instantánea, en pleno movimiento y sin necesidad de pasar por puntos muertos. Además, debido a la incompresibilidad del líquido hay que sumar la capacidad de bloqueo de los sistemas de forma brusca, sin daños, evitando las sobrecargas mediante una válvula limitadora de presión.

4. Tamaños pequeños. Los componentes hidráulicos, debido a su velocidad y capacidad de presión, pueden proporcionar una potencia de salida elevada con pesos y tamaños pequeños. Se ha destacar aquí la capacidad de realizar mucha mayor fuerza por medios hidráulicos que neumáticos.

5. Capacidad de lubricación. El aceite crea una capa muy fina entre las partes móviles de los dispositivos impidiendo así su fricción y deterioro. La lubricación estará directamente ligada con la viscosidad del aceite, pudiendo ser esta definida como la resistencia de un fluido a ser desplazado. Una viscosidad elevada sería deseable pues aumentaría la lubricación y a su vez se mantendría la estanqueidad de cierres y racores; sin embargo si la viscosidad es excesiva tendríamos una elevada caída de presión en los circuitos y aumentaría la potencia consumida. Además de una viscosidad idónea los aceites deben contener aditivos para evitar la oxidación, corrosión y la espumación.

3. COMPONENTES HIDRÁULICOS

El esquema básico de funcionamiento de cualquier instalación hidráulica puede responder a la siguiente estructura de bloques:

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3.1 Unidad hidráulica

Este es el elemento del circuito donde se genera la potencia del fluido, es decir su presión y su caudal. Estará formado por:

3.1.1 El tanque

El tanque o depósito es el lugar donde se conserve la mayor parte del aceite y es de aquí de donde se produce la aspiración desde la bomba y donde regresa el fluido a través de la tubería de retorno. Dichas conducciones quedan separadas por una placa deflectora que impide que se originen turbulencias, permite que las materias extrañas se sedimenten en el fondo y además ayuda a separar el aire del fluido. En ocasiones dispone de un radiador para eliminar el exceso de calor que gana el aceite en su trabajo.

3.1.2 Filtros y coladores

La misión de los filtros será la de retener las partículas perjudiciales para el buen funcionamiento del sistema. Los coladores realizan esta misión mediante el uso de una malla metálica, ayudados además por un imán que atraerá las partículas metálicas. Los coladores se colocan en la tubería de aspiración, lo que implica que la malla no pueda ser muy restrictiva pues provocaría una gran caída de presión y se rebasaría la PV del aceite, dando lugar a cavitación y provocando el deterioro de la bomba.

Los filtros propiamente dichos se suelen colocar en las tuberías de presión así como en el retorno, estando estos formados por láminas de papel, cartón, materiales porosos…etc.

3.1.3 Sistema de accionamiento

A través de un eje proporcionará la potencia mecánica para el movimiento de la bomba. En los sistemas industriales estará formado por un motor eléctrico mientras que en los tractores, maquinaría de obra civil y similares la energía proviene de un M.C.I.

3.1.4 Bombas

La bomba es el elemento que transforma la energía mecánica en energía hidráulica. Independiente de su constitución y funcionamiento las bombas vendrán caracterizadas por:

· La presión nominal, expresada en Kg/cm2 o en el S.I en N/m2 (Pascales).

· El caudal, expresado generalmente en l/min.

· El desplazamiento, que se será el volumen de líquido bombeado en un ciclo.

Así, la potencia que recibe el fluido de la bomba será clip_image005. Pero puesto siempre existen recirculaciones de fluido y rozamientos internos, la energía cedida por el eje no será absorbida completamente por el fluido y vendrá afectada por un rendimiento volumétrico, un rendimiento hidráulico y un rendimiento mecánico, pudiendo expresarse la potencia transmitida por sist. de accionamiento:

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En cuanto a los tipos de bombas, las utilizadas en oleohidráulica son bombas hidrostáticas o de desplazamiento positivo, es decir, el fluido será confinado de forma mecánica para aumentar así su presión. Los tipos más comunes serán:

Bombas de engranajes. Las cámaras de desplazamiento se forman entre los flancos de los dientes de dos ruedas dentadas gemelas, limitados por la pared interna de una carcasa. La presión de servicio puede llegar a 200 bar y el rango de rotaciones de 500 a 6000 rpm. Es la bomba más utilizada en los mandos hidráulicos, especialmente móviles, por su sencillez y economía, a pesar de su bajo rendimiento.

Bombas de tornillo. Están constituidas por dos o tres tornillos helicoidales que engranan y ajustan entre sí, produciendo la traslación axial del aceite de manera uniforme y sin vibraciones. Por ello, son bombas muy silenciosas. Tanto para este tipo de bombas como para las anteriores, la variación de caudal se produce sólo mediante la variación del régimen de giro.

Bombas de paletas. Constan de un rodete excéntrico que lleva alojadas unas paletas desplazables radialmente en unas ranuras. La fuerza centrífuga hace que las paletas confinen el aceite en secciones cada vez más pequeñas hasta aumentar la presión. De esta forma, para un régimen de giro dado, el caudal puede ser regulado simplemente modificando la excentricidad.

Bombas de pistones. Existen dos ejecuciones, de pistones radiales y de pistones axiales. Las axiales se ayudan de un disco y una leva para de impulsar los pistones y así producir la presión. En cuanto a las radiales, su configuración guarda cierta analogía con las bombas de paletas y al igual que en aquellas el Q es regulable mediante cambio de la e.

Tanto unas como otras se caracterizan por dar muy altas presiones (hasta 700 bar.) y caudales relativamente modestos, por lo suelen disponerse en serie junto a una bomba de las anteriores y utilizarse para subir la presión en un momento oportuno.

3.2 Elementos de transporte. Valores característicos de los circuitos

Se encuentran aquí los elementos por donde se transporta el aceite, es decir, las tuberías rígidas, mangueras flexibles, racores, juntas etc.

En todos ellos se debe cumplir la ley de continuidad, es decir, al existir una variación en la sección del conducto, se modificará la velocidad del fluido siendo las velocidades y las secciones inversamente proporcionales.

Por otra parte cuanto mayor sea el caudal que circula, su viscosidad y menor sea la sección del conductor mayor será el rozamiento del fluido y consecuentemente la caída de presión. En general, las velocidades en el interior de tuberías, como dato característico, se admiten:

· De 1,5 a 2,5 m/s para tuberías de aspiración y descarga.

· De 2,5 a 5 m/s para tuberías de presión.

3.3 Elemento de regulación y control.

El gobierno y control de los actuadores es llevado a cabo por medio de válvulas. Según la función que realizan se pueden subdividir en tres grupos: válvulas de control de dirección de flujo, de control de caudal o control de presión.

3.3.1 Válvulas direccionales o distribuidoras

Su misión es interrumpir o desviar el flujo de aceite con caudal y presión definidos; para ello utilizará una esfera que se separa de su asiento o una corredera que cambiará de posición. Las podemos clasificar según:

· Número de vías. Corresponde al número de entradas/salidas que dispone la válvula con el fin de permitir el desvío del fluido. Las más comunes son las de 2, 3,4 y 5 vías. Un ejemplo de válvula de sólo dos vías son las antirretorno o válvulas de retención cuya misión es permitir el paso en un solo sentido.

· Número de posiciones, es decir, las diferentes alternativas del órgano móvil y por tanto los diferentes caminos que puede tomar el fluido.

· Condiciones de reposo. En que se hace referencia al estado normal en que permanece la válvula sin excitación, es decir, normalmente abierta o normalmente cerrada.

· Característica del dispositivo de mando. Por dispositivo de mando se entiende al órgano, generalmente externo, de la válvula que hace funciones de elemento piloto o accionador y que determina el desplazamiento del órgano móvil. El pilotaje puede ser:

Þ Por órgano de la máquina, es decir, el movimiento de un actuador acciona mecánicamente la válvula. Son los llamados finales de carrera hidráulicos.

Þ Accionables por el operador, mediante palancas, pulsadores, pedales…etc.

Þ Por acción hidráulica. El propio aceite puede gobernar las válvulas al provocar el desplazamiento de la corredera.

Þ Electrohidráulico, cuyo funcionamiento será explicado en el epígrafe 5.

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3.3.2 Válvulas reguladoras de caudal

clip_image009En muchas ocasiones se hace necesario disminuir el paso del fluido a través de un conducto, generalmente cuando se quiere controlar la velocidad del actuador. La regulación se realiza al disminuir la sección de paso, produciendo la estrangulación del flujo con un tornillo regulable. Sin embargo, la conexión o desconexión de elementos hidráulicos hará que la presión de entrada a las válvulas haga variar el caudal de salida. Para evitar este problema se puede hacer uso de válvulas reguladoras de caudal de dos vías en las que por P diferencial se consigue una salida de Q constante ante variaciones de la P de entrada.

3.3.3 Válvulas reguladoras presión

Dentro de ellas podemos distinguir dos clases:

Válvulas de seguridad o limitadoras de presión. Están constituidas por un obturador unido a un muelle de fuerza regulable de tal manera que cuando la presión del fluido es capaz de vencer la fuerza de tarado del muelle, se descubre una vía por donde escapa el fluido. De esta manera la válvula limita la Pmax del circuito. Debe colocarse siempre e inmediatamente después de la bomba con el objeto de evitar accidentes por un exceso de P.

Válvulas reguladoras de presión propiamente dichas. En ellas mediante el uso de una corredera, un resorte ajustable y 2 ó 3 vías se consigue una presión de salida constante independientemente de la presión de entrada.

3.4 Elementos de trabajo

Son estos los elementos que utilizan la presión del aceite para desarrollar trabajos de fuerza o movimiento. Dependiendo de su modo de acción distinguiremos:

3.4.1 Cilindros

Generan un movimiento rectilíneo de avance y retroceso de un mecanismo por la fuerza ejercida por el aceite. Esencialmente están formados por un tubo o camisa, un émbolo unido a un vástago y una tapa trasera y otra delantera. Para asegurar la estanqueidad es preciso que tanto las tapas como el pistón posean las correspondientes juntas de cierre. También es muy común el uso de amortiguadores por estrangulación para evitar impactos. Según su forma de actuación distinguimos:

Cilindros de simple efecto, donde el aceite sólo actúa en una de las caras del cilindro por lo que sólo puede producir trabajo en un sentido. El retroceso se produce de forma mecánica, bien por la acción de un resorte o por la acción de la gravedad y de masas solidarias al vástago. Se utilizan en operaciones simples como sujetar, marcar, expulsar…etc.

Cilindros de doble efecto. En ellos el trabajo se desarrolla tanto en la carrera de salida como en la de retroceso dado que la presión del aceite se aplica alternativamente a los dos lados del émbolo. Son los más comunes y utilizados en procesos de automatización.

3.4.2 Motores

En estos actuadores, la energía hidráulica del fluido (Q y P) es transformada en un trabajo mecánico con movimiento rotativo (M y w). Su funcionamiento es, en principio, inverso a las bombas y su configuración análoga, destacando entre ellos los de engranajes, paletas y pistones.

Todos los elementos hidráulicos nombrados son representados por símbolos simplificados en los circuitos hidráulicos, siendo normalizados por la ISO 1219.

4. ELECTROHIDRÁULICA: TÉCNICA DE MANDO

Como hemos comentado la acción de gobierno de las válvulas puede ser realizada por electroválvulas. Así, la señal eléctrica provoca la excitación de un solenoide cuyo campo magnético provoca el desplazamiento del núcleo móvil y este a su vez de la corredera. La señal eléctrica puede ser de CA o de CC y en tensiones normales de 12 y 24 V. Las señales necesarias pueden obtenerse de las maneras más diversas, bien por contactos directos, como son pulsadores de presión, interruptores fin de carrera, interruptores de presión, o bien por dispositivos sin contactos de tipo inductivo o por fotocélulas.

La gran ventaja de los mandos electrohidráulicos es la rapidez del paso de la señal, el limitado espacio que precisan y la posibilidad de enlazar elementos de mando pertenecientes a un mismo equipo incluso con grandes separaciones entre ellos.

Sin embargo en los recintos con riesgo de incendio o explosión es preferible emplear el mando hidráulico pues, las chispas de los contactores pueden provocar la ignición.

5. DESARROLLOS SECUENCIALES

Aunque en menor medida que la neumática, la técnica hidráulica encuentra gran aplicación y desarrollo en sistemas de fabricación en los que se sigue un proceso automático. Los desarrollos secuenciales son aquellos en los que los actuadores realizan su trabajo en función del movimiento del resto de actuadores para crear así una secuencia automática. Para ello se emplean finales de carrera o según la señal de temporizadores. En ellos una función origina la siguiente función. Si por cualquier causa una función no se efectúa, la siguiente tampoco se realizará y el mando permanece en la posición sin perturbación. Se precisarán por tanto más emisores de señal que cualquier otra modalidad de mando pero en él se cumple con seguridad el desarrollo previsto de las funciones.

6. CONCLUSIÓN

Para concluir esta exposición lo podemos hacer respondiendo a la siguiente pregunta ¿Por qué es la hidráulica industrial necesaria, cuando tenemos a nuestra disposición muchas y bien conocidas máquinas mecánicas, neumáticas y eléctricas? La respuesta es que el aceite a presión es el medio más versátil para originar y modificar movimientos y transmitir potencia, es tan rígido como el acero e infinitamente flexible, puede moverse rápidamente en una zona y lentamente en otra. En definitiva, ningún medio combina el grado de exactitud, flexibilidad y transmisión de potencia.

Lógicamente para hacer uso de tan excelente potencial será necesario conocer profundamente las leyes de la mecánica de fluidos y los elementos de los circuitos.

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