Conceptos Básicos de Neumática e Hidráulica 


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Hidráulica: Sistemas de potencia fluida.

Un sistema de potencia fluida en el cual el fluido en el sistema permanece presurizado desde la bomba ( o regulador) hasta la válvula de control direccional mientas la bomba está operando es conocido como sistema de centro cerrado. En este tipo de sistema, cualquier número de subsistemas puede ser incorporado, con una válvula de control direccional separada para cada subsistema. Las válvulas de control direccional son dispuestas en paralelo de manera que la presión del sistema actúe en igual forma en todas las válvulas de control.

Otro tipo de sistema que es a veces usado en equipamiento operado hidráulicamente es el sistema de centro abierto. Un sistema de centro abierto tiene desplazamiento de fluido pero no tiene presión interna cuando los mecanismos de accionamiento están parados. La bomba hace circular el fluido desde el reservorio, a través de válvulas de control direccional, y luego nuevamente hacia el reservorio. Ver figura A. En forma similar al sistema de centro cerrado, el sistema de centro abierto puede tener cualquier cantidad de subsistemas, con una válvula de control direccional para cada subsistema. A diferencia del sistema de centro cerrado,  las válvulas de control direccional de un sistema de centro cerrado están siempre conectadas en serie entre sí, una disposición en la cual la línea de presión del sistema pasa a través de cada válvula de control direccional. El fluido tiene siempre libre circulación a través de cada válvula de control y de regreso al reservorio hasta que una de las válvulas de control sea posicionada para operar un mecanismo.

(A)

(B)

Fig. Sistema hidráulico de centro abierto.

Cuando una de las válvulas de control direccional es posicionada para operar un dispositivo actuador, como se muestra en la figura B, el fluido es direccionado desde la bomba a través de una de las líneas de trabajo hacia el actuador. Con la válvula de control en esta posición, un desplazamiento de fluido a través de la válvula hacia el tanque de reservorio es bloqueado. Así, la presión se eleva y mueve el pistón del cilindro actuador. El fluido del otro extremo del actuador retorna hacia la válvula de control a través de la línea de trabajo opuesta y circula retornando al reservorio.

Algunos otros tipos de válvulas de control direccionales son usadas en el sistema de centro abierto. Un tipo es el de acople manual y desacople manual. Luego de que este tipo de válvula es movido a la posición operativa y el mecanismo actuador alcanza el extremo de su ciclo operativo, la salida de la bomba continua hasta que el ajuste de la válvula de alivio del sistema es alcanzado.  La válvula de alivio luego sale de su asiento y permite que el fluido retorne al tanque reservorio. La presión del sistema permanece en el valor ajustado para la válvula de alivio hasta que la válvula direccional es manualmente conmutada de retorno a su posición neutra. Esta acción vuelve a abrir el fluido del centro abierto y permite que la presión del sistema caiga a la presión de resistencia de la línea.

Otro tipo de válvula es la válvula de control direccional acoplada manualmente y desacoplada por presión. Este tipo de válvula es similar a la válvula arriba tratada, sin embargo, cuando el mecanismo actuador alcanza el fin de su ciclo y la presión continua elevándose hasta una presión predeterminada, la válvula automáticamente retorna a la posición neutra y, consecuentemente, al flujo de centro abierto.

Una de las ventajas del sistema de centro abierto es que la presurización continua del sistema es eliminada. Dado que la presión se eleva gradualmente luego de que la válvula de control direccional es movida hacia una posición operativa, hay muy poco golpe en la línea debido a transitorios. Esto proporciona una operación suave de los mecanismos operativos; sin embargo, la operación es mas lenta que en el sistema de centro cerrado, en el cual la presión está disponible en el momento en que la válvula de control direccional es posicionada. Dado que muchas aplicaciones requieren operación instantánea, los sistemas de centro cerrado son los mas ampliamente usados.

Veamos otros ejemplos de un sistema de centro abierto. En este sistema, un carretel de válvula de control debe ser abierto en el centro para permitir que el flujo de la bomba pase a través de la válvula y retorne al reservorio. La figura siguiente muestra este sistema en posición neutra. Para operar varias funciones simultáneamente, un sistema de centro abierto debe tener las conexiones correctas, que son tratadas a continuación. Un sistema de centro abierto es eficiente en funciones únicas, pero es limitado con las funciones múltiples.

Figura: Sistema de centro abierto

1. Conexión serie. La figura siguiente muestra un sistema de centro abierto con una conexión serie. El aceite desde una bomba es dirigido a las tres válvulas de control en serie. El retorno desde la primera válvula es dirigido a la entrada de la segunda, y así sucesivamente. En posición neutra, el aceite pasa a través de las válvulas en serie y retorna al reservorio, como lo indica la flecha. Cuando una válvula de control es operada, el aceite que ingresa es desviado hacia el cilindro que la válvula sirve. El líquido que retorna desde el cilindro es dirigido a través de la línea de retorno y nuevamente hacia la próxima válvula.

Figura : Sistema de centro abierto con conexión serie.

Este sistema es satisfactorio mientras sólo una válvula sea operada por vez. Cuando esto ocurre, la salida total de la bomba a presión total del sistema está disponible para dicha función. Sin embargo, si mas de una válvula está funcionando, el total de la potencia requerida para cada función no puede exceder el ajuste de alivio del sistema.

2.Conexión serie/paralelo. La figura muestra una variación del tipo de conexión serie. El aceite de la bomba es pasado a través de las válvulas de control en serie, así como en paralelo. Las válvulas son a veces apiladas para permitir un pasaje extra. En posición neutra, un líquido pasa a través de las válvulas en serie, como lo indican las flechas. Sin embargo, cuando cualquier válvula está operando, el retorno es cerrado y el aceite está disponible para todas las válvulas a través de la conexión paralelo.

Figura. Sistema de centro abierto con una conexión serie/paralelo.

Cuando dos o mas válvulas son operadas a la vez, el cilindro que necesita la menor presión funcionará primero, luego el cilindro con la menor siguiente, y así sucesivamente. La habilidad para operar dos o mas válvulas simultáneamente es una ventaja sobre la conexión serie.

3. Divisor de flujo. Las figura siguiente muestra un sistema de centro abierto con un divisor de flujo. Un divisor de flujo toma el volumen de aceite desde una bomba y lo divide entre dos funciones. Por ejemplo, un divisor de flujo puede ser diseñado para abrir el lado izquierdo primero en el caso de que ambas válvulas de control son accionadas simultáneamente. O, el mismo podría dividir el aceite hacia ambos lados, igualmente o por porcentaje. Con este sistema, una bomba debe ser suficientemente grande para operar todas las funciones simultáneamente. El mismo debe además suministrar todo el líquido a presión máxima de la función mas alta, significando que grandes cantidades de caballos de fuerza son gastados al operar sólo una válvula de control.

Figura : Sistema de centro abierto con divisor de flujo

Sistema de centro cerrado. En este sistema, una bomba puede permanecer parada cuando no se requiere aceite para operar la función. Esto significa que una válvula de control está cerrada en el centro, parando el flujo del aceite de la bomba. La figura muestra un sistema de centro cerrado.

Figura : Sistema de centro cerrado. (Referencias : 1- La válvula es conmutada, direccionando el aceite según se muestra; 2- La bomba comienza a bombear mas aceite; 3- La presión del aceite eleva el pistón y la carga; 4- Este aceite retorna al reservorio. )

Para operar varias funciones simultáneamente, un sistema de centro cerrado tiene las siguientes conexiones:

(1) Bomba de desplazamiento fijo y acumulador. La figura muestra un sistema de centro cerrado. En este sistema, una bomba de volumen pequeño pero constante carga un acumulador.

Figura : Bomba de desplazamiento fijo y acumulador.

Cuando un acumulador es cargado a presión total, una válvula de descarga desvía el caudal de la bomba de nuevo hacia el reservorio. Una válvula de retención atrapa el aceite presurizado en el circuito.

Cuando una válvula de control es operada, un acumulador descarga su aceite y acciona un cilindro. A medida que la presión comienza a caer, una válvula de carga direcciona el flujo de la válvula hacia un acumulador para recargar el fluido. Este sistema, usando una bomba de pequeña capacidad, es efectivo cuando el aceite operativo es necesario sólo por un corto período. Sin embargo, cuando la función necesita una cantidad de aceite por períodos mas largos, un sistema acumulador no puede manejarlo a no ser que el acumulador ser muy grande.

(2) Bomba de desplazamiento variable. La figura siguiente muestra un sistema de centro cerrado con una bomba de desplazamiento variable en el modo neutro.

Figura : Bomba de desplazamiento variable.

Al estar en modo neutro, el aceite es bombeado hasta que la presión se eleva a un nivel predeterminado. Una válvula de regulación de presión permite que la bomba se corte a sí misma y mantenga la presión a la válvula. Cuando la válvula de control está operando, el aceite de desviado desde la bomba hacia la parte inferior del cilindro. La caída de presión causada al conectar la línea de presión de la bomba a la parte inferior del cilindro hace que la bomba vuelva a trabajar, bombeando aceite hacia la parte inferior del pistón y elevando la carga.

Cuando la válvula se mueve, la parte superior del cilindro se conecta a la línea de retorno, lo que permite el retorno del aceite que fue forzado desde el pistón a retornar al reservorio o bomba. Cuando la válvula retorna a la posición neutra, el aceite queda atrapado en ambos lados del cilindro, y el pasaje de presión desde la bomba es bloqueado. Luego de esta secuencia, la bomba queda parada. Al mover el carretel hacia la posición inferior se direcciona el fluido hacia la parte superior del pistón, moviendo la carga hacia abajo. El aceite de la parte inferior del pistón es enviado hacia la línea de retorno.

La figura siguiente muestra este sistema cerrado con una bomba de carga, que bombea aceite desde el reservorio hacia la bomba de desplazamiento variable.

Figura : Sistema de centro cerrado con bomba de carga

La bomba de carga suministra sólo el aceite de arranque requerido en un sistema y proporciona algo de presión de entrada para hacer una bomba de desplazamiento variable mas eficiente. El aceite de retorno de todas las funciones del sistema es enviado directamente a la entrada de una bomba de desplazamiento variable.

Debido a que todas las máquinas en la actualidad necesitan mas potencia hidráulica, un sistema de centro cerrado es mas ventajoso. Por ejemplo, en un tractor, el aceite puede ser requerido para dirección de potencia, los frenos de potencia, cilindros remotos, rótulas, cargadores y otro equipo montado. En la mayoría de los casos, cada función requiere una cantidad diferente de aceite. Con un sistema de centro cerrado, la cantidad de aceite para cada función puede ser controlada por la línea o el tamaño de la válvula o abriendo el paso con menor cantidad de producción de calor en comparación con los divisores de flujo necesarios en un sistema de centro abierto comparable. Otras ventajas del sistema de centro cerrado son las siguientes:

  • El mismo no requiere válvulas de alivio debido a que la bomba simplemente se cierra por si misma cuando la presión de trabajo es alcanzada. Esto evita la producción de calor en los sistemas donde la presión de alivio es frecuentemente alcanzada.
  • El tamaño de las líneas, válvulas y cilindros puede ser adaptada a los requerimientos operativos de cada función.
  • Hay flujo de reserva disponible, al usar una bomba mas grande, para asegurar una velocidad hidráulica  total a bajas revoluciones del motor por minuto (rpm). Mas funciones pueden ser servidas.
  • Es mas eficiente en funciones tales como frenos, que requieren fuerza pero poco movimiento de pistón. Al mantener la válvula abierta, la presión de trabajo es constantemente aplicada al pistón del freno sin pérdida de eficiencia debido a que la bomba ha retornado a su posición estacionaria.

 


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