Conceptos Básicos de Neumática e Hidráulica 


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CONTROL DIRECCIONAL DE CILINDROS HIDRÁULICOS DE SIMPLE EFECTO

Ventajas mecánicas. Por simple definición, las ventajas mecánicas son iguales a la relación de una fuerza o resistencia superada por la aplicación de una fuerza menor o esfuerzo a través de una simple máquina. Esto representa un método de multiplicación de fuerzas. En la ventaja mecánica, la ganancia de fuerza es obtenida a expensas de la pérdida en distancia. Descontando la pérdidas friccionales, el porcentaje de ganancia en fuerza iguala al porcentaje de pérdida en distancia. Dos aplicaciones familiares de los principios de la ventaja mecánica son la palanca y el gato hidráulico. En el caso del gato hidráulico, una fuerza de sólo una libra o dos aplicada al gato hidráulico puede producir la elevación de muchos cientos de libras de carga. Note, sin embargo, que cada vez que la manivela es movida algunas pulgadas, la carga es elevada sólo una fracción de una pulgada.

Aplicaciones en hidráulica. El principio usado en hidráulica para desarrollar ventaja mecánica es simple. Esencialmente la misma es obtenida adaptando dos superficies móviles de diferentes tamaños a un tanque de confinamiento, tales como pistones dentro de cilindros. El tanque es llenado con fluido, y una fuerza (entrada) es aplicada a la menor superficie. Esta presión es luego transferida, por medio del fluido, a una superficie mas grande donde una fuerza proporcional ( salida) es producida.

En la Fig., 7.9 a se muestra el control de un gato hidráulico que no es otra cosa que un embolo buzo que eleva una carga.  Para elevar el gato , la válvula 1 , válvula de control de paso de dos vías, dos posiciones, está CERRADA , y la presión y el caudal de la bomba, sea esta mecánica, o manual, fluyen libremente a través de la válvula antirretorno 2, penetrando en el cilindro y elevando el "gato". Cuando la válvula 1 es ABIERTA , el cilindro a través de la misma descarga al tanque, y entonces el pistón desciende debido a la cavidad .

En la Fig. 7.9.b. cuando la válvula 1 no esta actuada , tal como está dibujado el cilindro hidráulico esta conectado al tanque , permitiendo la retracción del cilindro por acción de la gravedad. El aceite suministrado esta bloqueado en la entrada de la válvula y no tiene lugar a donde ir , excepto descargarse al tanque a través de una válvula 2 de alivio.

Cuando la válvula 1 se invierte, entonces el fluido se dirige hacía el cilindro y eleva el émbolo. La válvula , no teniendo una posición neutral, NO PUEDE DETENER EL EMBOLO en cualquier punto intermedio de su carrera. Solamente cortando el suministro de la bomba puede el cilindro ser detenido y mantenido en cualquier posición intermedia de su carrera. 

En la Fig. 7.9.c., la acción es similar a la acción del ejemplo anterior, excepto que la bomba puede ser descargada libremente al tanque mientras que el cilindro esté bajando o ya se encuentre totalmente bajado. Cuando la válvula se invierte, el cilindro se elevará .

Esta válvula de cuatro vías y dos posiciones, no nos permita detener el cilindro un ningún punto intermedio de su carrera, esto solamente puede ser logrado deteniendo el flujo desde la bomba, o bien, directamente parando la misma.

En la Fig. 7.9.d., se ha dibujado un gato hidráulico gobernado por una válvula de cuatro vías , tres posiciones, centro tandem .

Este tipo de válvula otorga el mas completo efecto. Cuando la válvula esta centrada  , la bomba descarga libremente al tanque , mientras que el cilindro puede ser detenido y mantenido en cualquier posición intermedia de su carrera. 

La puerta B no empleada, se conecta también a la descarga  al tanque, de manera que al invertir la válvula a la posición del bloque con las flechas cruzadas, la bomba descargara al tanque su caudal en descarga libre, al mismo tiempo que el cilindro también se descargara al tanque, descendiendo por la acción de la carga ylo de la gravedad.

Algunos fabricantes, construyen lo que llaman "Válvulas de tres vías " para funciones "ELEVAR-MANTENER-DESCENDER" . Esas válvulas son esencialmente válvulas tandem de cuatro vías y tres posiciones que por medio de un agujero interno taladrado en el cuerpo conectando la puerta no usada directamente al tanque, es decir, la puerta T que esta conectada  al tanque. En esas válvulas la puerta no usada ya viene taponada o bloqueada directamente desde fábrica . 

 

CONTROL DIRECCIONAL DE CILINDROS DE DOBLE EFECTO. 

  

Válvula de tres vías, dos posiciones. (Ver fig. 7.10 a) . 

El circuito mostrado en dicha figura emplea cilindros que hacen carrera de carga cuando el vástago esta saliendo del cilindro pero que, en su carrera de retorno no desarrolla ningún trabajo, y dicha retorno debe ser la más rápido posible.

Cuando la válvula NO esta ACTUADA, ( posición de la figura) el aceite a presión que la bomba esta enviando pasa y actúa al mismo tiempo sobre ambas caras del pistón . Debido a que las mismas no tiene la misma superficie, siendo mayor la superficie de la cara ciega, ( llamada así a la que no tiene vástago), se creara una fuerza diferencial de avance, que provocará el avance del pistón desarrollando su carrera de trabajo .

La fuerza resultante que hará avanzar el vástago, durante su carrera de trabajo será el producto de la presión por la superficie de la sección del vástago,  dado que a la superficie de la cara ciega del pistón habrá que restarle la superficie anular de la cara opuesta. Por otra parte, el volumen  de aceite desalojado por el pistón en su carrera de avance, ira a unirse en la puerta de entrada de la válvula con el caudal que esta enviando la bomba, y ambos penetrarán juntos en la parte trasera de] cilindro, dando como resultado una mayor velocidad en el avance del mismo. Esto se llama ACCIÓN REGENERATlVA. Se verá más detenidamente posteriormente

Cuando la válvula se invierte, la presión queda bloqueada en la puerta de entrada de la válvula mientras que la parte trasera del cilindro se conecta a la descarga del tanque Simultáneamente , la presión de la bomba se hace ahora presente libremente sobre la cara anular del pistón y lo hace retroceder. Este tipo de accionamiento se llama también "AVANCE DEL PISTÓN DE CONTRAPRESION.

Válvulas de tres vías gobernando un cilindro de doble efecto. (Ver Fig.7.10.b.).

Un cilindro de doble efecto se puede gobernar muy versátilmente con dos válvulas de tres vías. En este, diagrama cuando ambas válvulas NO actúan, ambos extremos del cilindro están drenados al tanque, de manera que ninguna de las caras del pistón hay presión mientras que las entradas de ambas válvulas permanecen bloqueadas. 

En estas circunstancias, el pistón se encuentra en una posición flotante, vale decir que el mismo puede ser manualmente posicionado en cualquier punto o lugar intermedio de su carrera .

Cuando solamente actuamos la válvula 1, el pistón avanza con una cierta velocidad cumpliendo su carrera de trabajo a plena potencia, dado que el otro lado, es decir en la sección anular que esta drenada al tanque no existe ninguna contrapresión que  contrarreste o disminuya la fuerza a todo empuje .

A todo esto, el volumen desalojado de la parte delantera del cilindro va descargado directamente al tanque.

Si , por el contrario actuamos las dos válvulas juntas , entonces el empuje de carga será menor dado que se verá contrarrestado por la presión actuante sobre la cara anual a contrapresión , pero al mismo tiempo, el volumen desalojado se unirá al volumen que envía la bomba, y se establecerá la ACCIÓN REGENERATIVA. En tal caso, el "thrust" será menor, pero la velocidad de avance será mayor.

Por lo dicho, es fácil ver que dos válvulas de tres vías, dos posiciones gobiernan un cilindro de doble efecto de una manera mucho más versátil que una válvula de cuatro vías.

Válvula de cuatro vías, dos posiciones con cilindro de doble efecto (Ver Fig..7.10.c y 7.10.d ) .

La Fig., 7.10c nos muestra  la válvula NO ACTUADA, encontrándose el cilindro en el momento que inicia su movimiento de avance .

La Fig. 7.10 d.  muestra a la válvula ACTUADA encontrándose el cilindro en el momento que inicia su movimiento de retroceso , EL CILINDRO NO PUEDE SER DETENIDO EN NINGÚN PUNTO  INTERMEDIO DE SU CARRERA, a menos que sea cortado el suministro de aceite desde la bomba.

Tipos constructivos : (Ver Fig. 7.10.e ; 7.10.f y 7.10.h )

Un cilindro de doble efecto conectado a una válvula de cuatro vías, tres posiciones de los diversos tipos constructivos; de corredera que se representaron anteriormente.

Los cuatro tipos son los más populares y prácticamente cubren las necesidades en cuanto a válvulas para control de dirección de flujo que se presentan en circuitería hidráulica, no obstante que existen tipos de correderas especiales para cubrir las necesidades de circuitos que en algunas casos presentan características menos comunes .

Válvulas Tandem. (Ver Fig. 7.10 e.)

Descarga automáticamente la bomba hidráulica ( by pass) cuando el pistón del cilindro está detenido , con la corredera de la válvula d en posición central o "neutral".

El pistón puede detenerse en cualquier punto intermedio de su carrera  tanto de avance como de retorno, con descarga libre de bomba. Ambas caras del pistón quedan completamente bloqueadas.

Válvula de centro cerrado: (Ver Fig. 7.10.f).

Se emplea cuando la bomba debe permanecer suministrando presión a otras partes del circuito con el cilindro detenidos En este caso la descarga de la bomba se opera a través de otras medios que veremos más adelante .

Válvula de centro flotante .

Permite que el cilindro quede flotando en el caso de que la válvula tenga su corredera en posición central, de manera que ya sea a  mano, si el cilindro es pequeño, o si la fricción de sus empaquetaduras y guarniciones lo permitieran; o bien moviendo los órganos de la máquina que él accione, el pistón, pueda moverse. Tal cosa es posible, pues la corredera en posición central, ambas caras del cilindro quedan totalmente descargadas al tanque, mientras que la entrada de presión ha sido bloqueada.

Válvula de centro abierto :  (Ver Fig. 7.10.h).

Con la corredera de la válvula en su posición central ,  todas las puertas del cuerpo de la válvula  P,T,A y B , quedan intercomunicadas y si no hay ninguna restricción después de la válvula en su descarga al tanque la bomba descargará libremente sin ninguna contrapresión . En este casco ambas caras del pistón se descargaran al tanque a presión cero conjuntamente con la bomba.

Al respecto cabe destacar algo muy importante:

Cuando en la descarga de la válvula al tanque existe algún tipo de restricción , aparece una contrapresión , cuyo valor actúa sobre ambas caras del pistón, al mismo tiempo que la bomba descarga a presión cero , sino al valor mismo de esa con . Es fácil ver entonces , que teniendo el pistón en un área diferencial, el cilindro avanzará lentamente hacia arriba. Por ejemplo supongamos que una restricción ha sido puesta en línea de descarga de la válvula de cuatro vías de centro abierta, y que la contrapresión ha sido regulada a un valor de 50 libras pulg.² , que será leída en un manómetro .

La misma presión actuará sobre ambas caras del pistón y desarrollara empujes opuestos respectivamente sobre cada cara del pistón como vemos en la Fig. 7.11. En este ejemplo , si el diámetro interno del cilindro es tal que la superficie sea igual a 4 pulg.² el empuje sobre la cara ciega será de 200 libras .

Si la contra cara anular del pistón tiene una superficie neta de 3 3 pulg.² el contra empuje será igual a 150 libras.

El empuje resultante que hará avanzar el cilindro, sería la diferencia de ambos empujes, o sean 50 libras, si este valor supera el rozamiento de las empaquetaduras .

 

AUTOMATISMO RECIPROCO DE CILINDROS HIDRÁULICOS

Una de las aplicaciones más comunes de los cilindros hidráulicos en las maquinas herramientas es el de hacer desplazar horizontalmente la mesa de la máquina si se trata de una cepilladora , limadora o rectificadora plana. En este tipo de máquinas es necesario que la mesa tenga un movimiento alternativo y continuo , vale decir, que la mesa durante el tiempo que desee posea una movimiento continuo  de vaivén. 

Esto se logra fácilmente por medio de uno o dos cilindros hidráulicos, que accionados por un circuito determinado provean al funcionamiento deseado de la mesa de la máquina . Este movimiento cuando se logra por medio de un circuito y cilindros hidráulicos se llama automatismo recíproco.

Se presenta un caso de automatismo recíproco que es necesario tener muy , en cuenta , pues de lo contrario indefectiblemente el mismo fallará, Esto se ilustra muy claramente a continuación . (Ver Fig. 7.12.a) . Un cilindro hidráulico de doble efecto lleva en el extremo libre del vástago una leva la cual cuando aquel se encuentra completamente extendido accionará el husillo de una válvula de cuatro vías dos posiciones, con placa manual de mando.

La acción es como sigue: el operador empuja la palanca manual colocada en la válvula para que el cilindro comience a marchar hacia adelante, Cuando la carrera, de avance ha sido completada, la leva del vástago actúa sobre el rodillo de la corredera de la válvula  y esta comienza su movimiento de inversión. Cuando esta alcanza durante su retroceso a la posición central, en ese preciso momento todas las puertas quedan bloqueadas como muestra la pequeña ilustración a la izquierda.

Esto provoca el corte completo del suministro del aceite a presión enviado por la bomba deteniéndose el cilindro y, por ende quedando la corredera de la válvula detenida en su posición central sin que sea posible hacer pasar o mejor dicho, sobrepasar a la misma de dicha posición central. Por este motivo, el circuito hidráulico se encuentra " atascado". El operador entonces debe terminar de accionar a mano la corredera haciéndole completar su inversión de posición, para lograr que el cilindro reinicie nuevamente y complete su carrera de retorno . TAL COSA NO ES ACEPTABLE PUESTO QUE YA NO EXISTIRÁ UN AUTOMATISMO RECIPROCO DE INVERSIÓN DE MARCHA DEL PISTÓN DEL CILINDRO HIDRÁULICO

Todas las válvulas hidráulicas de dos posiciones, ya sean de centro abierto, o cerrado , cuando su corredera pase por su posición central, detendrán el cilindro, si la válvula es de centro cerrado , por las causas arriba mencionadas, si la corredera es de centro abierto , porque la bomba descargará enteramente su caudal al tanque, y no habrá entonces presión sobre la cara del pistón que en ese momento estaba actuando. Por tal motivo, para lograr un automatismo hidráulica recíproco., NUNCA DEBE INTENTARSE REALIZARLO POR MEDIO DE UNA VÁLVULA DE DOS POSICIONES QUE ACTUÉ COMO VÁLVULA PRINCIPAL . 

En la Fig. 7.12.b., se muestra la manera de ejecutar un circuito hidráulico confiable y seguro para lograr un automatismo recíproco , utilizando una válvula de dos posiciones como válvulas piloto, que a su vez acciona a una válvula principal, que es la que realmente gobierna el cilindro hidráulico . En el circuito dibujado, las causas suceden de la siguiente manera:

La válvula 1 principal, es una válvula de cuatro vías, dos posiciones, gobernada manualmente , pero en su lugar tiene un resorte antagonista , tiene para lograr su movimiento de inversión un piloto hidráulico, que no es otra cosa que un pequeño cilindro cuyo pistoncito , al recibir presión , contraempuja al husillo de la válvula principal  haciendo que este a su vez invierta el movimiento del cilindro , lográndose así el automatismo deseado. Por otra , la válvula principal, o sea que la conexión correspondiente se toma en la línea principal antes de la puerta P , de entrada a la válvula principal.

En estas condiciones y estando el cilindro todo atrás , cuando el operador acciona la palanca manual de la Válvula principal, invierte el conexionado mostrado en el dibujo, y entonces el cilindro comienza su movimiento de avance. Hasta el momento que el vástago del cilindro alcance su posición "todo fuera ", la válvula 2 tiene su entrada de presión bloqueada , al mismo tiempo que drena libremente al tanque el piloto de la válvula principal. Cuando la carrera de avance es completada, la leva del vástago acciona para abajo, ( en la posición del dibujo) el husillo de la válvula 2 y esta entonces conecta la presión de bomba con el piloto de la válvula 1; de inmediato la corredera de esta última accionada por aquel invierte instantáneamente su posición y el cilindro inicia su carrera de retorno hasta completarla, momento en el cual se detiene el mismo, habiendo concluido así el ciclo. Cuando tal cosa ha sucedido la leva de  la válvula principal que estaba montada, en el extremo de su vástago libera el rodillo montado en la parte superior de la corredera de la válvula 2 por lo cual la misma vuelve a bloquear su entrada de presión, al mismo tiempo  que drena nuevamente al tanque la presión del piloto de la válvula principal , el cual, al descargarse completamente permitirá la iniciación de un nueva ciclo, cuando el operador pueda actuar nuevamente libremente la palanca de mando de la válvula principal.

Cuando, como en el caso visto, el operador debe iniciar el ciclo, y el automatismo solamente se limita a invertir automáticamente la carrera del cilindro, entonces se dice que este circuito es de UN CICLO.

Los circuitos de automatismos recíproco de un ciclo, se logran con el concurso de una válvula de tres vías, y dos posiciones, con válvula piloto, y una válvula de cuatro vías dos posiciones, con conocimiento manual y retorno por piloto hidráulico , como válvula principal.

Si en cambio, se desea obtener un movimiento recíproco alternativo continuo de un cilindro hidráulico, es suficiente emplear dos válvulas de tres vías, y dos posiciones como válvulas inversoras piloto . Y una válvula de cuatro vías, dos posiciones accionadas por pilotos hidráulicos en sus dos extremos . Tal cosa se muestra en la Fig. 7.12.c. . En la misma, y tal como están dibujadas las conexiones de la válvula principal 1 , el cilindro está desarrollando su carrera de avance. Cuando la misma ha sido completamente lograda,  la leva montada en la extremidad del vástago del cilindro acciona el rodillo de la corredera de la válvula piloto 3 , la cual en ese momento, invierte su posición y conecta la presión de bomba al piloto "derecho" de la válvula 1,  este a su vez invierte por la acción del mismo su corredera y el cilindro inicia su carrera de retorno. Tan pronto la leva "suelte" el husillo de la válvula piloto 3 , la misma bloquea su entrada de presión , conecta el piloto derecho  " al tanque", quedando el mismo drenado y sin presión alguna. No obstante esta, la corredera de la válvula principal se mantiene en su posición . Ahora ya tenemos al cilindro desarrollando su carrera de retorno hacia la izquierda. Cuando dicha carrera de retorno ha sido completada la leva montada en la extremidad del vástago del cilindro accionará  ahora el rodillo de la corredera de la válvula piloto 2, la que permitirá a la presión de la bomba hacerse presente ahora en el piloto izquierda de la válvula 1 principal. Este piloto bajo la acción de la presión, accionará su pistoncito interno , y el mismo empujará ahora hacia la derecha la corredera de la válvula principal, la cual no tendrá ningún obstáculo dado que el piloto antagonista se encuentra descargado y drenado al tanque sin presión alguna .

Cuando el cilindro ahora en su carrera de avance nuevamente, llegue a completar la misma  el cilindro vuelve nuevamente a invertir su carrera, se dice entonces que el automatismo recíproco es continuo . Solamente se detiene cuando el operador corte el suministro de potencia hidráulica desde la bomba por algún medio. En el caso de la Fig. 7.12 c.  esto se logra cerrando la válvula de paso 4.

Por todo lo dicho, cuando se quieren lograr circuitos hidráulicos para automatismos recíprocos continuos, se deben utilizar dos válvulas de tres vías, dos posiciones , conectadas entre ellas en paralelo , y ambas a su vez conectadas también en accionamiento totalmente por piloto hidráulico  llevando el vástago del cilindro en su extremidad  libre de leva que actuará respectiva y alternadamente a ambas rodillos de las correderas de las válvulas de tres vías.

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