UNIDAD IV: CIRCUITOS HIDRÁULICOS Y ELECTROHIDRÁULICOS.

4.1 DESARROLLO DE CIRCUITOS TÍPICOS HIDRÁULICOS.

Se necesita un proceso automático de dos cilindros de doble efecto donde su funcionamiento sea de forma secuencial, donde se requiere también válvulas anti retorno pilotada para asegurar el regreso de los actuadores y además la seguridad de que como se trabaja con fuerza no exista mayor peligro para las personas que estén utilizando este proceso, presentando principalmente el diseño así como su respectiva simulación para su previa verificación dando paso luego a su instalación o construcción.

Diagramas de circuitos.

Existen dos tipos de diagramas de circuitos:

Diagramas de circuitos en corte transversal: Muestran la construcción interna de los componentes además de las rutas que sigue el flujo de aceite. Mediante colores, sombras o diversos patrones en líneas y pasos, puede mostrarse muchas condiciones diferentes de presión y flujo.

Diagramas de circuitos esquemáticos: Se usan preferentemente para la solución de fallas por su capacidad de mostrar las funciones actuales y potenciales del sistema. Los diagramas esquemáticos están compuestos de símbolos geométricos que corresponden a los componentes y sus controles y conexiones.

Diseño.

El esquema que de la siguiente figura representa un circuito hidráulico de fuerza clásico, donde el elemento de trabajo es un cilindro de fuerza.

Los elementos constitutivos del circuito hidráulico como puede verse son:

a) Un recipiente con aceite.
b) Un filtro.
c) Una bomba de aceite.
d) Una válvula de control que incluye una válvula de seguridad o sobre presión y la respectiva palanca de mando.
e) El cilindro de fuerza.
f)  Conductos de comunicación.

Mientras la palanca de accionamiento de la válvula de control está en su posición de reposo (centro) el aceite bombeado por la bomba retorna libremente al recipiente, de manera que el cilindro de fuerza se mantiene inmóvil.

Una vez que se acciona la palanca de control en cualquiera de las dos direcciones, se cierra la comunicación del retorno libre al recipiente y se conecta la salida de la bomba a uno de los lados del cilindro de fuerza mientras que el otro lado se conecta al retorno. El movimiento de la palanca de control en la otra dirección hace el efecto contrario. 

Bomba:

Esta bomba de engranes es una de las más utilizadas por su bajo costo, tamaño reducido y elevada durabilidad. 

Durante el movimiento de rotación de los engranes, estos "capturan" el aceite del lado de baja presión (recipiente) al llenarse las oquedades de los dientes con él y lo inyectan a alta presión por el otro lado al introducirse el diente del otro engrane en la oquedad desplazándolo forzadamente.

En estas bombas, entre el perfil del cuerpo y el engrane hay una holgura mínima para evitar la fuga de retorno del aceite pero sin que roce el engrane con el cuerpo.

Válvula de control:

La válvula de control generalmente se acciona a través de una palanca, esta palanca desplaza en el interior de la válvula un cilindro al que se le han practicado agujeros de manera conveniente para que al moverse comunique adecuadamente la presión y el retorno al lado correspondiente del cilindro de fuerza.

Las flechas rojas muestran como el aceite desde la bomba circula libremente hacia el retorno sin producir comunicación alguna con los lados del cilindro. En este caso el cilindro de fuerza está auto frenado, ya que no es posible la salida del aceite.

Cilindro de fuerza:

Un empaque adecuado impide la salida del aceite por los bordes del vástago pero permite el movimiento libre de este longitudinalmente.

En el animado puede verse como se desplaza el pistón interior y con él el vástago en dependencia de la entrada y salida del aceite, las flechas rojas representan el lado de alta presión (desde la bomba) y las azules el lado de baja presión (retorno).

Válvula de sobre presión:

Cuando se mantiene la palanca de mando accionada y el cilindro de fuerza llega al final de la carrera, este de detiene y no puede entrar más aceite al cilindro procedente de la bomba, la presión en el sistema comienza a crecer rápidamente llegando en muy poco tiempo a valores peligrosos para la integridad del sistema. 

La conexión entre el lado de alta presión procedente de la bomba y el retorno se mantiene siempre cerrada por el tapón corredizo interior debido al empuje del resorte.

Cuando la presión sobrepasa cierto valor, la fuerza de empuje levanta el tapón corredizo y la presión se alivia al retorno. De esta forma la presión del sistema nunca sobrepasa un valor asignado de seguridad que puede ser ajustado con el tornillo de regulación que empuja más o menos el resorte.

Depósito o Tanque:

La función natural de un tanque hidráulico es:

• Contener o almacenar el fluido de un sistema hidráulico.
• Evacuar el calor.
• Sedimentación.
• Separación del aire.
• Separación del agua.

Cuando el fluido regresa al tanque, una placa reflectora  bloquea el fluido de retorno para impedir su llegada directamente a la línea de succión. Así se produce una zona tranquila, la cual permite sedimentarse a las partículas grandes de suciedad, que el aire alcance la superficie del fluido y da oportunidad de que el calor se disipe hacia las paredes del tanque.

Tapa de llenado: Mantiene los contaminantes fuera de la abertura usada para llenar y añadir aceite al tanque. 

Mirilla: Permite revisar el nivel de aceite del tanque hidráulico. El nivel de aceite debe revisarse cuando el aceite está frío. Si el aceite está en un nivel a mitad de la mirilla, indica que el nivel de aceite es correcto.

Tuberías de suministro y retorno: La tubería de suministro permite que el aceite fluya del tanque al sistema. La tubería de retorno permite que el aceite fluya del sistema al tanque.

Drenaje: Ubicado en el punto más bajo del tanque, el drenaje permite sacar el aceite en la operación de cambio de aceite. El drenaje también permite retirar del aceite contaminante como el agua y sedimentos.

Simulación de los circuitos:

Para realizar la simulación por medio programa de software como el FluidSIM o el Automatión Studio.

4.2 DESARROLLO TÍPICOS DE CIRCUITOS ELECTROHIDRÁULICOS.

Un sistema electrohidráulico es un conjunto de elementos que, dispuestos en forma adecuada y conveniente, producen energía electrohidráulica partiendo de otra fuente, que normalmente es electromecánica o termomecánica.

La energía electrohidráulica se genera de la siguiente manera:

Se recibe energía electromecánica a través de la bomba de instalación, está la impulsa obligándola a pasar por el circuito, hasta llegar a los puntos de utilización (actuadores), encargados de transformar dicha energía en mecánica.

Podemos evidenciar tres grupos perfectamente localizados, a detallar:

• Sistema de impulso y bombeo.
• Sistema intermedio compuesto por elementos de control, comando y conexiones.
• Actuadores y consumidores.
• Diseño de circuitos.

Para el diseño de un circuito es imprescindible el conocimiento exacto de las necesidades y trabajos a realiza por los elementos accionadores (velocidades, fuerzas, tiempos, ciclos, etc.) así como las limitaciones (espacio, potencia disponible, tipo de energía, etc.). 

Con los datos del diseño, y con la ayuda de los símbolos, se hace un croquis en el que se dibujan los elementos accionadores y los impulsores; a continuación se elabora una secuencia de los movimientos y trabajos a realizar.

Finalmente se añaden al croquis los accesorios del sistema.

Una vez realizado el croquis del círculo, se numeran los componentes, y en una relación aparte se les da el nombre además de definirse sus especificaciones de cada uno como el tipo, la velocidad de funcionamiento, presión de trabajo, etc. Y así se hará con cada uno de los componentes.

Electroválvulas.

La válvula de solenoide eléctrica funciona al suministrar corriente eléctrica al imán de la bobina, el campo magnético mueve el cuerpo de cilindro deslizante de la válvula, el cual se dirige el aceite.

Cabe recordar que la única diferencia entre una válvula hidráulica/eléctrica y una válvula hidráulica ordinaria es la forma en que se mueve el cuerpo de cilindro.

Las válvulas de solenoide constan de una válvula de cartucho y una de solenoide. Para desamar la válvula quite el conjunto de la válvula solenoide y luego destornille cuidadosamente el cuerpo de la válvula.

Se les llama SOLENOIDES por estar accionados con corriente continua, cuando están accionados pro corriente alterna, se llaman ELECTROIMANES.

Los electroimanes comúnmente utilizados son del tipo “AIR GAP”, esto significa que cuando el electroimán esta energizado, el “tragante” tiene su circuito magnético abierto a través del aire.

En el momento que el electroimán, estando abierto, se energiza, la corriente inicial es de un valor muy alto, aunque de una duración de algunos milisegundos. Cuando el electroimán ha cerrado su Entrehierro o “AIR GAP” y permanece así  la corriente disminuye a un valor sumamente bajo, con lo cual el electroimán zumba muy poco, y además el sobrecalentamiento es mínimo.

Cuando se diseñan circuitos eléctricos para accionar válvulas comandas por electroimán, debe tenerse mucho cuidado que si estas son dobles, no se energicen por cualquier motivo simultáneamente, pues si tal cosa ocurriera, algunos de los solenoides opuestos NO se cerraría a través de su entrehierro, y es suficiente que el tragante quede abierto algunas décimas de milímetro, para que la bobina se queme al cabo de pocos segundos de tiempo. 

Consideraciones sobre potencia electrohidráulica.

La transformación y distribución de la potencia electrohidráulico puede ser representada en un gráfico en el cual se hace un balance de las pérdidas de cada bloque, y cuya suma hace a la pérdida total.

BLOQUE A: GRUPO DE IMPULSIÓN.

Tiene como principal función el bombeo, este es encargado de transformar la potencia que recibe en energía electrohidráulica, que no se transmite en su totalidad, por ser la bomba un conjunto mecánico compuesto por una serie de elementos, logrados cada uno de ellos bajo tolerancias de fabricación, su rendimiento debe ser considerado y tiene una influencia Npa.

BLOQUEO B: CIRCUITO ELECTROHIDRÁULICO.

Incluye los elementos encargados de marca el camino al aceite para llegar a los actuadores. Está compuesto por tubería, accesorios, comandos, controles, etc. Este grupo produce una pérdida de potencia Npb, ofreciendo resistencia al paso del aceite que se denominan perdidas de carga y se traducen en pérdidas de presión. 

GRUPO C: ACTUADORES DEL SISTEMA.

Las pérdidas de potencia por la mínima razón que la bomba, son conjuntos mecánicos. (ej, Un cilindro hidráulico hace uso de la presión para ejercer su trabajo). Npc es el tercer y último término de la suma de perdidas, conformando el gasto total de la instalación Npt.