Las válvulas reguladoras de caudal son más complejas. Mantienen constante un caudal volumétrico con independencia de que se cambien las presiones de entrada o salida de la válvula (figura 5-27). También, puede hacerse, con dependencia o no de la viscosidad.
La válvula de la figura 5-27 posee dos vías y se compone de las siguientes piezas importantes para su funcionamiento: cuerpo, válvula de estrangulación dependiente de la viscosidad y una corredera que constituye lo que se denomina la balanza de presión. La balanza de presión puede encontrarse antes de la estrangulación o después, que es el caso de la figura. En ambos casos el funcionamiento es análogo. Si la válvula de estrangulación se sustituyera por otra similar a la de la figura 5-26 en la válvula reguladora no influiría la viscosidad.
P3 0 P2 0 p 12 P1
Figura 5-27. Válvula reguladora de presión compensada de dos vías.
Se llama p1 a la presión de entrada de la válvula, p2 a la presión después de la
estrangulación y p3 a la presión de salida de aquélla. Por otra parte denominaremos A a la sección
del pistón o corredera de la balanza de presión.
En la figura 5-27 puede observarse que el caudal que penetra en la válvula por A atraviesa la válvula de estrangulación para luego pasar por el huelgo de la balanza de presión y salir por B.
Por otra parte la perforación situada a la izquierda de la válvula pone en contacto la entrada con la parte izquierda de la balanza de presión, sin circulación de aceite.
Además el conducto de la derecha pone en conexión la salida de la válvula restrictora con el lado derecho de la balanza de presión, igualmente sin circulación de fluido.
Por tanto la cara izquierda de la balanza de presión tiene una presión p1, y la cara derecha
El equilibrio en la balanza de presión está establecido por las fuerzas actuantes a uno y otro lado de la corredera, tal que: p1A = p2A + Fmuelle.
Cuando se establece el equilibrio el pistón de la balanza dejará un huelgo determinado para el paso del fluido hacia el exterior de la válvula.
La presión p2 será siempre menor que p1 y mayor que p3 por las sucesivas caídas de
presión en las dos restricciones. Como las dos áreas del pistón de la balanza son iguales, se cumple que:
p
1F
muelleA
p
2p
12
p
1- p
2F
muelleA
Como A es constante y se puede considerar que las variaciones de la fuerza del muelle son despreciables, al sufrir un desplazamiento mínimo, se obtiene una diferencia de presión constante. Como es conocido el caudal que atraviesa un orificio es función de la diferencia de presiones entre aguas arriba y aguas abajo (p1-p2) y de la sección transversal de paso. Ahora bien,
el caudal se modificará cuando se varíe la sección de paso de la estrangulación que marca la aguja, mediante el tornillo exterior. Con todo ello se tendrá que el caudal circulante permanecerá inalterable para una determinada posición de la aguja.
Si la presión de aguas arriba de la válvula p1 se incrementara, aumentaría la fuerza
producida en la cara izquierda de la balanza de presión, desplazándose la corredera hacia la derecha y disminuyendo el huelgo de comunicación con B.
Al reducirse este intersticio aumentaría p2, cosa que igualmente sucedería porque p1-p2 ha
de permanecer constante. Al incrementarse p2 aumentaría la fuerza sobre la cara derecha de la
balanza de presión estableciéndose el equilibrio en dicha balanza, en una nueva posición de su corredera.
Como no queda modificada ni la diferencia de presiones, ni la sección de paso de la válvula restrictora, el caudal que atraviesa la válvula permanece constante.
La presión p3 permanece constante, lo que ha sucedido es que p2 se ha incrementado, así
como p2-p3 y el intersticio de la corredera ha disminuido.
Si p1 disminuyera las cosas serían análogas pero a la inversa y el caudal seguiría
inalterable.
Si lo que sucede es que la carga sobre el cilindro que sirve la válvula se incrementa, aumenta p3. De entrada disminuye el caudal y aumenta p2. Como consecuencia aumenta la fuerza
sobre la cara derecha de la balanza de presión y con ello la corredera se desplaza hacia la izquierda, aumentando el intersticio.
Al aumentar p2, dado que p1-p2 ha de permanecer constante, se incrementa p1,
Como la válvula restrictora garantiza que el caudal que atraviesa la válvula permanece constante, se establecerá el nuevo equilibrio en una posición diferente de la balanza de presión, con intersticio mayor, y una diferencia de presiones p2-p3 inferior a la de partida.
Si p3 disminuyera se verificaría un proceso análogo sólo que a la inversa.
El límite de trabajo práctico de esta válvula vendrá definido también por la diferencia de presión p13 que deberá ser superior a la diferencia p12 en unos 5 bar, ya que en caso contrario
no se consigue la permanencia del caudal. Realmente esta válvula no regula el caudal sino la presión y a través de esta regulación consigue aquélla.
5.4.2 Divisor de caudal
Tiene como misión suministrar aceite a dos actuadores iguales simultáneamente habiendo de ser por lo tanto los caudales aportados a aquellos idénticos, con el objetivo final de que ambos avancen al unísono, independientemente de las cargas que soporten.
Consta de una corredera tubular (1) (figura 5-28) que puede desplazarse dentro de un cuerpo de válvula (2); en los dos extremos de (1) existen dos cámaras de control (7 y (8). Posee una conexión con presión (P) y dos con elementos de trabajo (A y B).
El paso del aceite de P al interior de la corredera se hace a través de dos pasos (3 y 4) y de la corredera a los elementos de trabajo A y B a través de perforaciones radiales que trabajan como restrictores, 5 y 6 respectivamente.
Figura 5-28. Divisor de caudal.
Un ejemplo de su aplicación se muestra en la figura 5-29. Se trata de elevar una carga mediante una plataforma impulsada por dos cilindros iguales. Si la carga está centrada las resistencias que ofrece sobre los cilindros A y B son iguales, la corredera estará en posición centrada y los caudales respectivos serán equivalentes.
Si tal como se observa en la figura 5-29 (derecha) la carga está desplazada hacia la derecha, la resistencia que ofrece sobre los cilindros es mayor en B que en A, y por lo tanto pB es
mayor que pA.
Con ello tenderá a ir más caudal por A que por B, cosa indeseada. Al mismo tiempo la presión en la cámara de control 8 aumentará y disminuirá la de la 7. Como consecuencia la corredera se desplazará hacia la izquierda a una nueva posición, hasta llegar a un nuevo equilibrio.
Al desplazarse la corredera, el área de paso del restrictor 5 disminuirá y la del 6 aumentará, con ello las pérdidas de carga lo harán en el sentido inverso.
Esto conseguirá que el caudal hacia B aumente y hacia A disminuya hasta equipararse. Las presiones en 7 y 8 se igualarán en una nueva posición de la corredera.
Si los caudales fuesen diferentes, las presiones en 7 y 8 lo serían también y la corredera se desplazaría hasta conseguir el equilibrio donde QA = QB y p7 = p8.
A B
P
A B
P T
Figura 5-29. Ejemplo de aplicación de un divisor de caudal.
5.5 Acumuladores hidráulicos
Se trata de un elemento cuya función es la de almacenar un volumen de fluido a presión cuando no lo requiera el sistema para utilizarlo cuando lo necesite el elemento consumidor.
Están formados por una carcasa metálica dividida en dos partes separadas por una membrana, vejiga o pistón; en una parte se almacena el aceite y en la otra hay un gas, generalmente nitrógeno, sometido a una determinada presión previa.
En un momento determinado, en el que el sistema no necesita aceite, éste propulsado por la bomba penetra en el acumulador. En otro momento, cuando algún actuador necesite aceite a presión la bomba y el acumulador en paralelo proporcionarán el caudal necesario.
Las principales funciones del acumulador son las siguientes:
Como reserva de fluido a presión. Cuando el sistema requiere un
caudal grande de fluido durante un tiempo corto dentro de su ciclo de funcionamiento. El acumulador se llena cuando la demanda de caudal es menor que el caudal suministrado por la bomba, de forma que cuando se produce un pico en la demanda es el acumulador junto con la bomba los que suministran el caudal necesario. De no existir el acumulador la bomba debería ser mayor para dar un caudal igual al del pico, pero habría de trabajar así durante todo el ciclo, con el consiguiente costo de energía. Además una bomba más pequeña requiere un motor eléctrico de menor potencia, un tanque de menor volumen, y válvulas y tuberías más reducidas, haciendo, todo ello que el ahorro pueda ser considerable. En todo caso es conveniente que el acumulador se sitúe en un punto cercano al consumidor, con el fin de que sea capaz de proporcionar un fuerte caudal aunque sea durante un lapso muy corto de tiempo. Además el volumen de aceite laminado por la válvula de seguridad disminuirá substancialmente, minorándose el calor a disipar.
En casos de emergencia, por ejemplo en un corte de corriente eléctrica. El acumulador trabajará como un elemento de seguridad, concluyendo ciclos de trabajo, como accionamiento de frenos, lubricación de emergencia, etc.
Compensación de fugas para el mantenimiento de una presión. Como en el caso de sistemas en los que se usa una pretensión para mantener pesos. El uso de un acumulador para compensar las fugas inherentes a todo circuito evita que una bomba esté continuamente funcionando, ahorrando en energía y en mantenimiento, evitando que se genere calor que luego habrá de disiparse debido a la disminución en la generación de calor.
Compensación de picos de presión. Por ejemplo en golpes de ariete producidos por cierres bruscos en válvulas, variaciones bruscas de la carga etc. En este caso el acumulador hace los efectos de colchón y no de almacén.
Como amortiguadores en suspensión de vehículos.
En las figuras 5-30 y 5-31 se acompañan sendos circuitos hidráulicos que utilizan acumuladores. Como puede observarse el acumulador se instala en paralelo con el actuador y junto a él se dispone una válvula de seguridad con el fin de garantizar que la presión en el
acumulador no rebase un tope que pudiera ocasionar la rotura del mismo con los consiguientes riesgos de accidente. 0 1A 0 T P 1A T P 1V1 A B 1V1 A B P T P T
Figura 5-30. Accionamiento de emergencia Figura 5-31. Compensación de fugas.
5.5.1 Tipos de acumuladores
Los tipos de acumuladores empleados en instalaciones oleohidráulicas son: de vejiga, de membrana y de pistón.
5.5.1.1
Acumulador de vejiga
Los acumuladores de vejiga se emplean con volúmenes útiles medianos de gas. Se caracterizan por una rápida reacción. Se montan en posición vertical preferentemente.
Se componen de un depósito metálico o cuerpo (1), una vejiga (3) de goma que se encarga de separar el aceite del gas, una válvula (2) que hace tope evitando la rotura de la vejiga al llenarla de gas y otra válvula antirretorno para el llenado de la vejiga de gas a presión (4) y para evitar la fuga a la atmósfera (figura 5-32).
Figura 5-32. Acumulador de vejiga.
5.5.1.2
Acumulador de membrana
El acumulador de membrana se usa para pequeños volúmenes útiles de aceite. Tienen una buena estanquidad y una larga vida útil. Son bastante similares a los vejiga (figura 5-33).
Figura 5-33. Acumulador de membrana.
Consta de un recipiente de acero (1) que contiene una membrana de un material elástico que separa el líquido del gas. La membrana tiene un plato metálico (3) en su parte inferior que se
encarga de hacer tope para que no estalle la membrana en el proceso de llenado. Como en el acumulador de vejiga se llena de gas por medio de una válvula (4).
5.5.1.3
Acumulador de pistón
Es básicamente un cilindro sin vástago en la que el émbolo hace de separador entre el líquido y el gas. El mecanizado del cilindro y las juntas de estanquidad hacen que el pistón se pueda desplazar sin que haya fugas de una cámara a otra.
Figura 5-34. Acumulador de pistón.
Se emplean cuando se necesitan grandes volúmenes útiles de gas. Su reacción es más lenta debido a la masa del pistón separador y del rozamiento de las juntas de estanquidad. Se produce por rozamiento una reducción de hasta un 10% de la presión útil.
5.5.2 Funcionamiento de un acumulador
Procedente de una botella a presión de un gas, normalmente nitrógeno, y gracias a la válvula se llena el contenedor de gas del acumulador hasta alcanzar una presión p0 y un volumen
V0 (figura 5-35). La vejiga o la membrana en su caso ocupan todo el volumen del acumulador
Carga Descarga
Figura 5-35. Carga y descarga de un acumulador hidráulico.
Al poner en funcionamiento la bomba del sistema el líquido pasa a través de la válvula inferior del acumulador, comprimiendo el gas hasta alcanzar una presión p2 reduciéndose el
volumen hasta un valor V2.
Cuando la presión del sistema se reduce por debajo de p2 el acumulador entregará parte
del volumen de líquido acumulado en él, hasta que se llegue a la presión mínima del sistema p1 en
la que el volumen de gas tendrá un valor V1. En la figura 5-36 se representa el proceso seguido
por el acumulador.
p
p
22
1
p
10
p
0V
V
2V V
1V
05.5.3 Dimensionamiento de un acumulador
Cuando se llevan a cabo los cálculos de un acumulador se deben tener en cuenta las siguientes presiones: p0, presión de llenado del gas; p1, presión mínima de la instalación hidráulica
de forma que la vejiga o la membrana no esté en contacto continuamente con la válvula de líquido; y p2, presión máxima en el acumulador.
La presión de prellenado del acumulador debe ser entre un 80% y un 90% de la presión mínima de trabajo a la temperatura máxima de trabajo. Con ello se pretende evitar que los elementos separadores del acumulador estén cerca de la válvula de líquido y se deterioren.
La presión hidráulica máxima no debe exceder 4 veces la presión de llenado, de lo contrario la elasticidad de la vejiga o de la membrana se verían afectadas.
Los procesos en un acumulador hidráulico son politrópicos, es decir, están entre adiabáticos puros, sin intercambio de calor, e isotérmicos, a temperatura constante. Se puede considerar el proceso como adiabático puro, en el caso de que la compresión y la expansión del gas se produzca en un tiempo breve, menor de 1 min. Se puede considerar proceso isotérmico a aquél en el que los cambios de estado tienen lugar lentamente, más de 3 minutos, de forma que se puede producir un intercambio de calor completo con el exterior de manera que la temperatura del gas se puede considerar constante (figura 5-37).
p
Politrópica
2
2’
Adiabática
Isocora
1
Isotérmica
Volumen del gas V
Figura 5-37. Diagrama p-V para un gas ideal.
Las ecuaciones que rigen la relación presión - volumen según sean procesos adiabáticos o isotérmicos son:
Proceso adiabático Proceso istotérmico 1 1
V V
0 0
1
2
V
V
p
n p
n
0
0
p
1
p
2
V V p
0p
0
0
p
1p
2
V
V
p
0p
0
p
1p
2
p
n p
n
0 p
p
0 1 1 0Siendo n el exponente para procesos adiabaticos que en el caso del nitrógeno vale 1,4. Las presiones indicadas son absolutas. Se emplea como unidad de volumen el litro.
En la mayoría de los casos se pueden considerar los procesos adiabáticos.
En todos los casos anteriores se ha considerado el comportamiento del gas como ideal, sin embargo en la práctica a presiones superiores a 200 bar el comportamiento de los gases varía apreciablemente del descrito anteriormente. Para considerar este efecto se emplean factores de corrección dados por el fabricante de acumuladores. Dichos factores son obtenidos por experimentación y vienen indicados normalmente en gráficas (figura 5-38).
Isotérmica
Vreal=Videal Ki
Ki Ka
Adiabática
Vreal=Videal Ka
5.6 Multiplicadores de presión
Los multiplicadores de presión se emplean siempre que en una sección determinada de un sistema hidráulico hay que someter al aceite a una presión esencialmente mayor que la que permite la presión primaria disponible, proporcionada por la bomba, por ejemplo en funciones de sujeción. Permiten, con una relación de intensificación 1:4, soluciones económicas para una presión de partida de hasta 125 bar.
El multiplicador consta de un cilindro especial que multiplica la presión, un mecanismo que hace bascular una válvula 4/2, cuatro válvulas de retención que separan las zonas de alta y baja presión y, por último, otra válvula antirretorno que separa la zona de presión primaria con el retorno o tanque (figura 5-39).
P A T Zona de alta presión S S S Zona de presión primaria
Figura 5-39. Esquema de un multiplicador de presión.
El cilindro especial es doble y simétrico respecto un plano de simetría; dispone de cuatro émbolos, dos de ellos buzos, que se desplazan alternativamente dentro de sendos cilindros.
En primer término se llena el cilindro de alta presión directamente desde la bomba alcanzándose la presión primaria. Posteriormente el aceite a baja presión se introduce en la cámara del émbolo buzo izquierdo y en la cara anular izquierda del cilindro especial a través de la válvula 4/2, mientras que la derecha está conectada a tanque por un conducto en la que dispuesta una válvula de bloqueo.
Como consecuencia dos émbolos del cilindro especial se trasladan hacia la derecha, de tal manera que en la cámara del émbolo buzo derecho se genera una presión mayor, definida por la ecuación:
P
bajaA
circular grande= P
altaA
circular pequeñaAdemás el aceite es inyectado a través de la válvula antirretorno superior derecha hacia A, donde se desea generar la alta presión.
Cuando los émbolos del cilindro especial alcanzan su fin de carrera se bascula la válvula 4/2 y el aceite a baja presión penetra en las cámaras de la derecha y la anular izquierda se une a tanque comenzando un proceso análogo al ya descrito. El aceite ubicado en la cámara del émbolo buzo izquierdo se comprimirá y llegará a alcanzar la presión suficiente para inyectarse a través de la válvula de bloqueo superior izquierdo e la zona de alta presión.
Cuando se haya alcanzado la presión necesaria el cilindro especial dejará de trabajar, volviéndolo a hacer en el momento en que por cualquier circunstancia, por ejemplo fugas, disminuye la presión en la zona de alta presión.
5.7 Técnicas de conexión
Los diferentes elementos que conforman un circuito hidráulico, bomba, válvulas y actuadores, han de estar unidos entre si en serie o en paralelo.
La manera tradicional de realizar tales conexiones es mediante tubos rígidos o flexibles con los correspondientes racores. Esta solución tiene los inconvenientes de producir una pérdida de carga, algunas veces no despreciable, y lo que es peor, de propiciar fugas.
Para evitar ambos inconvenientes se realizan las conexiones mediante placas base, consistentes en unos bloques de acero que contienen en su interior los conductos necesarios para interconectar los elementos hidráulicos y comunicarlos con el exterior mediante uniones roscadas.
En determinados circuitos con el fin de unir los diferentes elementos que lo constituyen pueden ser necesarios más de una placa base.
El conjunto de las placas base y de las válvulas forman concatenaciones longitudinales que pueden disponerse de manera vertical u horizontal.
De esta manera se relaciona la salida de la bomba con las sucesivas válvulas por donde ha de pasar el aceite y con el propio actuador sin necesidad de emplear tuberías y racores.
En la figura 5-40 se observa un esquema de una determinada concatenación vertical y en la 5-41 una fotografía que muestra un corte de esta forma de conexión.
A B VÁLVULA DIRECCIONAL a b P T A B A 1 B1 DOBLE ANTIRRETORNO ESTRANGULADOR VALVULA REDUCTORA DE PRESIÓN DOBLE ANTIRRETORNO PLACA BASE