Conceptos Básicos de Neumática e Hidráulica 


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Es completamente imposible diseñar un sistema fluido de potencia práctico sin algún medio para controlar el volumen y la presión del líquido y de dirigir el flujo de líquido a las unidades del funcionamiento. Esto es logrado por la incorporación de diversos tipos de válvulas. Se define a una válvula como cualquier dispositivo por medio del cual el flujo de líquido se puede iniciar, cortar, o regular por una parte móvil que abra u obstruya el paso. Aplicadas en los sistemas de potencia fluidos, las válvulas se utilizan para controlar el flujo, la presión, y la dirección del flujo fluido.

Las válvulas deben ser precisas en el control del fluido y presión, así como sobre la secuencia de operación.

Las fugas entre el elemento de válvula y el asiento de válvula se reducen a una cantidad insignificante mediante las superficies trabajadas a máquina, con extrema precisión, dando por resultado separaciones cuidadosamente controladas. Ésta es una de las razones más importantes para reducir la contaminación al mínimo en los sistemas de potencia fluidos. La contaminación hace que las válvulas se peguen, obstruye de los orificios pequeños, y causa abrasiones en las superficies de asiento de la válvula, que da lugar a pérdidas o fugas entre el elemento de la válvula y asiento de la misma cuando la válvula está en la posición de cerrada. Cualquiera de éstos problemas de por resultado una operación ineficaz o la parada completa del equipo.

Las válvulas se pueden controlar manual, eléctrica, neumática, mecánica, hidráulicamente, o por combinaciones de dos o más de estos métodos. Los factores que determinan el método de control incluyen el propósito de la válvula, el diseño y el propósito del sistema, la localización de la válvula dentro del sistema, y la disponibilidad de la fuente de energía.

CLASIFICACIONES

Las válvulas se clasifican según su uso: control de flujo, control de presión, y control direccional. Algunas válvulas tienen funciones múltiples que caen en más de una clasificación.

VÁLVULAS DE CONTROL DE FLUJO

Las válvulas de control de flujo se utilizan para regular el flujo de líquidos en sistemas de potencia fluida. El control del flujo en sistemas potencia fluida es importante porque el índice de movimiento de máquinas de accionamiento hidráulico depende del régimen del líquido presurizado. Estas válvulas pueden estar operadas manual, hidráulica, eléctrica, o neumáticamente.

VÁLVULAS DE BOLA

Las válvulas de bola, como su nombre lo indica, son las válvulas de parada que utilizan una bola para cortar o para iniciar un flujo de líquido. La bola, según se ve en la figura adjunta, realiza la misma función que el disco en otras válvulas. A medida que la manija de la válvula se da vuelta para abrir la válvula, la bola gira a un punto donde el agujero a través de la bola está alineado en parte o del todo con la entrada y la salida del cuerpo de válvula, permitiendo que el líquido atraviese la válvula. Cuando se gira la bola de manera que el agujero sea perpendicular a las aberturas de flujo del cuerpo de válvula, el flujo de fluido sea detendrá.

Fig.: Válvula de bola típica.

La mayoría de las válvulas de bola son el tipo de acción rápida. Requieren solamente una vuelta de 90 grados para abrir o cerrar totalmente la válvula. Sin embargo, muchas son accionadas por engranajes planetarios. Este tipo de engranaje permite el uso de una fuerza relativamente pequeña en el volante y de parte del operario para hacer funcionar una válvula bastante grande. El engranaje, sin embargo, aumenta el tiempo operativo de accionamiento de la válvula. Algunas válvulas de bola también contienen una retención basculante situada dentro de la bola para dar a la válvula una característica de la válvula retención. La figura adjunta muestra que bola-pare, que hacer pivotar-compruebe la válvula con una operación del engranaje planetario.

Fig.: Típica válvula de bola con retención basculante.

Además de las válvulas de bola vistas en las figuras adjuntas al tema, existen además las válvulas de bola de tres vías que se utilizan para suministrar el líquido de una sola fuente a un componente u otro en un sistema del dos-componentes.

VÁLVULAS DE COMPUERTA

Se utilizan las válvulas de compuerta cuando sea necesario un caudal de fluido rectilíneo, así como una restricción mínima al paso del mismo. Las válvulas de compuerta deben su nombre a que la pieza que bloquea o permite el paso del fluido que las atraviesa actúa en forma similar a una compuerta. La compuerta generalmente tiene forma de cuña. Cuando la válvula está abierta de par en par, la compuerta se ubica completamente en el sombrerete de la válvula. Esto deja una abertura en la válvula para el paso del fluido del mismo tamaño que la cañería en la cual la misma está instalada (ver figura adjunta). Por lo tanto, hay poca caída de presión o restricciones al paso del fluido a través de la válvula.

Las válvulas de compuerta no son convenientes para propósitos de estrangulamiento. El control del flujo es difícil debido al diseño de la válvula, y el flujo de líquido que golpea contra una compuerta parcialmente abierta puede causar un daño importante a la válvula. A menos que sea autorizado específicamente, las válvulas de compuerta no se deban utilizar para estrangulamiento.

Se clasifican las válvulas de compuerta como válvulas de vástago ascendente o válvulas de vástago no ascendente. La válvula de vástago no ascendente se muestra en la figura adjunta. El vástago va roscado en la compuerta. A medida que el volante de comando del vástago se gira, la compuerta se desplaza hacia arriba o hacia abajo en el vástago sobre los filetes de rosca mientras que el vástago sigue estando inmóvil verticalmente. Este tipo de válvula dispone casi siempre de una aguja indicadora roscada sobre el extremo superior del vástago para indicar la posición de la compuerta.

Las válvulas con vástagos ascendentes se utilizan cuando es importante saber mediante inspección inmediata si la válvula está abierta o cerrada y cuándo los filetes de rosca (vástago y compuerta) expuestos al líquido podrían dañarse por los contaminantes fluidos. En esta válvula, el vástago se levanta de la válvula cuando la válvula es abierta.

VÁLVULAS GLOBO

Las válvulas globo son probablemente las válvulas más comunes en existencia. La válvula globo debe su nombre a la forma globular del cuerpo de la válvula. Otros tipos de válvulas pueden también tener cuerpos de forma globular. Pero es la estructura interna de la válvula que identifica el tipo de válvula

Las aberturas de entrada y de salida de las válvulas globo están dispuestas de manera de satisfacer los requerimientos del flujo. La figura adjunta muestra válvula rectas, en ángulo y válvulas de flujo cruzado.

Las piezas móviles de una válvula globo consisten en el disco, el vástago de válvula, y la manivela de cierre. El vástago conecta la manivela al disco.

El vástago va roscado y se encastra en los filetes de rosca en el sombrerete de la válvula.

La pieza de la válvula globo que controla el flujo es el disco, que está sujeto al vástago de válvula. (Los discos están disponibles en varios diseños.) La válvula es cerrada dando vuelta al vástago de válvula hacia adentro hasta que el disco se apoye en el asiento de válvula. Esto evita que el líquido atraviese la válvula (ver figura adjunta A). El borde del disco y su asiento están delicadamente trabajados a máquina de manera que cuando la válvula es cerrada encastran en forma muy precisa. Cuando la válvula está abierta (ver figura adjunta B), el líquido atraviesa el espacio entre el borde del disco y el asiento. Dado que el fluido se desplaza igualmente en todos los lados del centro de apoyo cuando la válvula está abierta, no existe ninguna presión sin balancear sobre el disco que cause un desgaste desigual. El régimen al cual el líquido atraviesa la válvula es regulado por la posición del disco en relación con el asiento. Esta válvula es comúnmente usada como completamente abierta o completamente cerrada, pero se puede utilizar como válvula reguladora. Sin embargo, puesto que la superficie del asiento es un área relativamente extensa, no es conveniente su uso con esta función, ya que requiere ajustes finos para controlar el régimen.

Fig. : Operación de una válvula globo.

La válvula de globo nunca debe atascarse en la posición de abierta. Después de que una válvula se abra completamente, el volante se debe dar vuelta hacia la posición de cerrada aproximadamente una mitad vuelta. A menos que se haga esto, la válvula es probable que se trabe en la posición abierta, haciendo difícil, si no imposible, volver a cerrarla. Muchas válvulas se dañan de este modo. Otra razón de no dejar las válvulas de globo en la posición completamente abierta es que a veces es difícil determinar si la válvula está abierta o cerrada. Si la válvula se atasca en la posición abierta, el vástago puede ser dañado o roto por alguien que piensa que la válvula está cerrada, e intenta abrirla.

Es importante que las válvulas globo sean instaladas con la presión contra la cara del disco para mantener la presión de sistema lejos de la empaquetadura del vástago cuando se cierra la válvula.

VÁLVULAS DE AGUJA

Fig. : Vista transversal de una válvula aguja.

Las válvulas de aguja son similares en diseño y la operación a la válvula globo. En vez de un disco, una válvula de aguja tiene un punto afilado largo en el extremo del vástago de válvula. Una vista seccionada transversalmente de una válvula de aguja se ilustra en la figura adjunta.

La forma cónica larga del elemento de la válvula permite una superficie mucho más pequeña de asiento que el de la válvula globo; por lo tanto, la válvula de aguja es más conveniente como válvula reguladora. Las válvulas de aguja se utilizan para controlar el flujo en manómetros delicados, los que se pueden dañar por repentinas variaciones del líquido bajo presión. Las válvulas de aguja son además usadas para controlar el extremo de un ciclo del trabajo, donde es deseable que el movimiento sea llevado lentamente a un alto, y en otros puntos donde sean necesarios ajustes exactos de flujo y donde se desee un pequeño régimen.

Aunque muchas de las válvulas de aguja usadas en los sistemas fluidos de potencia sean el tipo manual (ver figura adjunta), las modificaciones de este tipo de válvula son de uso frecuente como restrictores variables. Esta válvula se construye sin una manivela y se ajusta para proporcionar un régimen específico. Este régimen proporcionará un tiempo deseado de operación para un subsistema particular. Puesto que este tipo de válvula se puede ajustar para cumplir los requisitos de un sistema particular, puede ser utilizado en una variedad de sistemas. La figura adjunta ilustra una válvula de aguja que fue modificada como restrictor variable.

 

 

REGULADORES DE PRESIÓN

Los reguladores de presión, designados a menudo como válvulas de descarga, se utilizan en los sistemas de potencia fluidos para regular la presión. En sistemas neumáticos, la válvula, designada comúnmente como regulador de presión, reduce simplemente la presión. En sistemas hidráulicos el regulador de presión se utiliza para descargar la bomba y para mantener y para regular la presión de sistema en valores deseados. No todos los sistemas hidráulicos requieren reguladores de presión. Muchos sistemas se equipan con bombas volumétricas, que contienen un dispositivo regulador de presión.

Los reguladores de presión son hechos en una variedad de tipos y por varios fabricantes; sin embargo, los principios de funcionamiento básicos de todos los reguladores son similares al que está ilustrado en la figura adjunta.

Un regulador está abierto cuando está dirigiendo el líquido bajo presión hacia el sistema (A en la figura). En la posición cerrada (B en la figura), el líquido en la parte del sistema más allá del regulador queda atrapado en la presión deseada, y el líquido de la bomba se puentea en la línea de retorno y vuelve al depósito. Para prevenir la abertura y cierre constantes, el regulador se diseña para abrirse en una presión algo más baja que la presión de cierre. Esta diferencia se conoce como diferencial o rango de operación. Por ejemplo, asuma que un regulador de presión está ajustado para abrirse cuando la caída de presión de sistema esté debajo de los 600 psi, y se cierre cuando la presión supera los 800 psi. El diferencial o el rango de operación es de 200 psi

Refiriéndose a la figura adjunta, asuma que el pistón tiene un área de 1 pulgada cuadrada, la válvula piloto tiene una superficie transversal de un cuarto pulgada cuadrada, y el resorte del pistón proporciona de 600 libras de fuerza que empujan el pistón hacia abajo. Cuando la presión en el sistema es menos de 600 psi, el líquido de la bomba entrará en el puerto de entrada, fluirá a la tapa del regulador, y luego a la válvula piloto. Cuando la presión del líquido en la entrada aumenta al punto donde la fuerza creada contra el frente de la válvula de retención exceda la fuerza creada contra la parte posterior dicha válvula por la presión de sistema y el resorte de la válvula retención, la válvula de retención se abre. Esto permite que el líquido fluya en el sistema y a la parte inferior del regulador contra el pistón. Cuando la fuerza creada por la presión de sistema exceda la fuerza ejercida por el resorte, el pistón se levanta, haciendo la que válvula piloto salga de su asiento. Puesto que el líquido tomará la trayectoria de menos resistencia, éste retornará a través del regulador y de vuelta al depósito a través de la línea de retorno.

Cuando el líquido de la bomba obtiene repentinamente una trayectoria libre para retornar, la presión sobre el lado de entrada de la válvula de retención cae y de la válvula de retención se cierra. El líquido en el sistema entonces queda atrapado bajo presión. Este líquido seguirá presurizado hasta que una unidad de potencia sea accionada, o hasta la presión se pierda lentamente debido a pérdida interna normal dentro del sistema.

Cuando la presión de sistema disminuye a un punto levemente inferior a los 600 psi, el resorte fuerza el pistón abajo y cierra la válvula piloto. Cuando la válvula piloto es cerrada, el líquido no puede fluir directamente a la línea de vuelta. Esto hace que la presión aumente en la línea entre la bomba y el regulador. Esta presión abre la válvula de retención, haciendo que el líquido ingrese al sistema.

 

En resumen, cuando la presión de sistema disminuye una cantidad determinada, el regulador de presión se abrirá, enviando líquido al sistema. Cuando la presión del sistema se incrementa suficientemente, el regulador se cerrará, permitiendo que el líquido de la bomba atraviese el regulador y vuelva al depósito. El regulador de presión quita la carga de la bomba y regula la presión de sistema.

VÁLVULAS DE SECUENCIA

Las válvulas de secuencia controlan la secuencia de operación entre dos ramas en un circuito; es decir, permiten a una unidad fijar automáticamente otra unidad en movimiento. Un ejemplo del uso de una válvula de secuencia está en un sistema de impulsión del tren de aterrizaje de aviones.

En un sistema de impulsión del tren de aterrizaje, las puertas de tren de aterrizaje deben abrirse antes de que el tren de aterrizaje comience a extenderse. Inversamente, el tren de aterrizaje debe ser contraído totalmente antes de que las puertas se cierren. Una válvula de secuencia instalada en cada línea de impulsión del tren de aterrizaje realiza esta función.

 

Una válvula de secuencia es algo similar a una válvula de descarga salvo que, después de que se haya alcanzado la presión del sistema, la válvula de secuencia desvía el líquido a un segundo actuador o motor para hacer el trabajo en otra parte del sistema. La figura adjunta muestra una instalación de dos válvulas de secuencia que controlan la secuencia de operación de tres cilindros de impulsión. El líquido está libre de fluir dentro del cilindro A. La primera válvula de secuencia (1) bloquea el paso del líquido hasta que el pistón del cilindro A se desplaza al extremo de su carrera. En este tiempo, la válvula de secuencia 1 se abre, permitiendo que el líquido entre en el cilindro B. Esta acción continúa hasta los tres pistones terminan sus movimientos.

Hay varios tipos de válvulas de secuencia. Algunas son controladas por la presión y algunas se controlan mecánicamente.

Válvula de secuencia controlada por presión

Fig.: Operación de una válvula de secuencia controlada por presión.

La operación de una típica válvula de secuencia controlada por presión se ilustra en la figura adjunta. La presión de abertura es obtenida ajustando la tensión del resorte que sostiene normalmente el pistón en la posición cerrada. (Note que la parte superior del pistón tiene un diámetro más grande que la parte inferior). El líquido entra a la válvula a través del puerto de entrada, fluye alrededor de la parte inferior del pistón y sale por el puerto de salida, adonde fluye (inicialmente) a la unidad primaria para ser accionada (figura A). Esta presión del líquido también actúa contra la superficie inferior del pistón.

Cuando la unidad de impulsión primaria termina su operación, la presión en la línea hacia la unidad de impulsión se incrementa suficientemente para superar la fuerza del resorte, y el pistón se eleva. La válvula está entonces en la posición abierta (figura B). El líquido que entra en la válvula toma la trayectoria de menos resistencia y fluye a la unidad secundaria.

 

Un paso de drenaje viene provisto para permitir que cualquier líquido que se escape del pistón fluya desde la tapa de la válvula. En sistemas hidráulicos, esta línea de drenaje está generalmente conectada con la línea de retorno principal.

Válvula de secuencia operada mecánicamente

Fig.: Válvula de secuencia operada mecánicamente.

La válvula de secuencia operada mecánicamente (ver figura adjunta) es accionada por un émbolo que se extiende a través del cuerpo de la válvula. La válvula va montada de modo que el émbolo sea accionado por la unidad primaria.

Una válvula de retención, tanto una de bola como una de clapeta, está instalada entre los puertos fluidos en el cuerpo. Esta puede ser quitada de su asiento tanto por el émbolo como por la presión del líquido.

El puerto A (ver figura adjunta) y el actuador de la unidad primaria están conectados por una línea común. El puerto B está conectado por una línea con el actuador de la unidad secundaria. Cuando el líquido bajo presión fluye a la unidad primaria, también lo hace dentro de la válvula de secuencia a través del puerto A a la válvula de retención, asentada en la válvula de secuencia. Para poder funcionar la unidad secundaria, el líquido debe atravesar la válvula de secuencia. La válvula está ubicada de modo que la unidad primaria presione el émbolo mientras que completa su operación. El émbolo saca de posición a la válvula de retención y permite que el líquido atraviese la válvula, hacia el puerto B, y a la unidad secundaria.

Este tipo de válvula de secuencia permite el flujo en dirección opuesta. El líquido ingresa al puerto B y se desplaza hacia la válvula de retención. Aunque éste sea flujo de retorno de la unidad de impulsión, el líquido supera la tensión del resorte, quita del asiento a la válvula de retención, y fluye hacia fuera a través del puerto A.

 

 

 


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