VÁLVULAS DE CONTROL DE FLUJO COMPENSADAS

Los elementos de control de flujo descriptos consisten en simples orificios que miden el flujo del aceite. Mantienen un flujo razonablemente constante mientras la presión que actúa se mantiene constante.

Si la presión varía, el flujo que pasa a través de estas válvulas variará en consecuencia.

Existe una disposición de válvula de control de flujo que compensa automáticamente las diferencias de presiones para mantener el flujo constante. Son las válvulas de control de flujo compensadas por presión (o compensadas hidrostáticamente) y se fabrican en modelos ajustables y no ajustables. El principio de trabajo consiste en mantener constante la caída de presión a través del orificio de control; de esta forma el flujo a través de ese orificio será constante. Para este propósito crean una caída de presión de aproximadamente 75 lb/pulg² en la línea, y esas 75 lb/pulg² se utilizan para mover el mecanismo de compensación. El principio de trabajo se ilustra en los siguientes ejemplos de la válvula fija de control y la ajustable.

Muchos modelos permiten el flujo reverso del fluido; sin embargo, ese flujo no es compensado. Cuando se desea obtener flujo libre en reversa, es preferible emplear una válvula de retención en paralelo (en muchos casos ya viene incluida dentro del cuerpo de la válvula). En la Fig. 5.36 b observamos una válvula fija de control de flujo compensada. El orificio de control tiene un tamaño tal que, cuando la válvula transporta el flujo determinado, la caída de presión a través de este orificio es de aproximadamente 75 lb/pulg², que equilibran la tensión del resorte sobre la clapeta. Tan pronto como el flujo que pasa a través del orificio de control tiende a incrementarse, su caída de presión se incrementa proporcionalmente, provocando el desplazamiento de la clapeta lentamente hacia la derecha. Este cierre estrangula el orificio, provocando una restricción en el flujo que acarrea su descenso al valor determinado. Si desciende el valor determinado del flujo a través del orificio de control, la caída de presión desciende; por lo tanto, el resorte de oposición reduce la estrangulación procurando incrementar el flujo.

En la Fig. 5.37 observamos el corte constructivo y esquemático de una válvula ajustable de control de flujo compensada a presión.

Fig. 5.37

Su principio de trabajo puede referirse al símbolo completo que acompaña a la figura.

La válvula consta de un orificio variable controlado mediante el vástago 1. Este orificio es precedido por una válvula reductora de presión (vástago 2) del corte esquemático. Esta válvula reductora no está referida a la atmósfera sino a la presión de salida. Reduce la presión de ingreso, no importa cuán alta sea, a un valor de 75 lb/pulg² con respecto a la presión de salida. A efectos de mantener constante 75 lb/pulg² a través del orificio de control, el flujo a través de este orificio se mantendrá constante.

En la Fig. 5.38 observamos los símbolos correspondientes a las válvulas de control de flujo.

CONTROL DE VELOCIDAD DE CIRCUITOS HIDRÁULICOS

En los circuitos que se representan a continuación pueden emplearse válvulas compensadas o no compensadas. Muchos circuitos requieren válvulas de retención para permitir el flujo reverso en forma libre. Algunas válvulas de control de flujo llevan estas válvulas de retención incorporadas en su cuerpo para cumplir este propósito.

En la Fig. 5.39 vemos que las válvulas de control de flujo pueden instalarse en las posiciones 1, 2 o 3. Esto permite que solo una parte del aceite enviado por la bomba llegue al cilindro; el remanente debe descargarse al tanque a través de la válvula de alivio correspondiente al valor de presión fijado en ella.

La energía contenida en esta descarga es inmediatamente convertida en calor y transportada al depósito de aceite.

Posición 1. Una válvula de control de flujo instalada en esta posición no necesita una válvula de retención en paralelo para flujo libre, ya que en ese punto el flujo es siempre unidireccional. Sin embargo, la velocidad de desplazamiento del cilindro será diferente en cada carrera por las diferencias de volúmenes originadas por la presencia del vástago en una de las cámaras.

Posiciones 2 y 3. Dos válvulas de control de flujo instaladas en estas posiciones permiten controlar en forma individual cada una de las direcciones de movimiento.

Control al ingreso: Si ambas válvulas (2 y 3) se instalan para controlar el valor del flujo de ingreso al cilindro, se obtiene un sistema denominado control al ingreso o control a la entrada.

Control a la salida: Se obtiene instalando las válvulas para actuar sobre el flujo que sale del cilindro hacia el tanque. Es usualmente preferido porque el pistón queda sostenido entre dos columnas de aceite presurizado y el movimiento es más estable. La sobrepresión que este control crea puede provocar la operación prematura de la válvula de secuencia o del presóstato. En las posiciones 2 y 3 deben instalarse válvulas de retención para permitir el flujo libre en la dirección opuesta; de lo contrario, el flujo de salida a través de una válvula se invertiría con la operación de la otra.

Control por derivación: La velocidad de desplazamiento del cilindro se reduce descargando una porción del caudal. Por ejemplo, si la bomba desplaza 12 gal/min y se necesitan solo 4 gal/min para la velocidad deseada, el excedente de 8 gal/min debe enviarse al tanque a través de una válvula de control de flujo.

En la Fig. 5.40 se observa la operación de un sistema de derivación: en la parte A la válvula de control de flujo está totalmente abierta (pérdida de carga ~0) y el cilindro no avanza; en la parte B la válvula está totalmente cerrada.

El aceite de la bomba es forzado en todo su caudal hacia el cilindro.

Un manómetro instalado en la línea hacia el cilindro indica la presión necesaria para mover la carga. Cuando el cilindro llega al extremo de su carrera, el manómetro indicará el valor de presión regulado en la válvula de alivio que opera sobre la bomba.

En la Fig. 5.41 se muestra la ubicación alterna de válvulas de control de flujo operando en derivación.

Una válvula instalada en la posición 1 regula la velocidad del cilindro en ambas direcciones, pero por el volumen diferente debido al vástago, las velocidades de avance y retroceso serán distintas para el mismo caudal.

SINCRONIZACIÓN DE MOVIMIENTO DE CILINDROS HIDRÁULICOS

En la Fig. 5.42 las válvulas fijas de control de flujo 1, 2, 3 y 4 son del tipo compensadas a presión, no ajustables.

Suponiendo que los cilindros son del mismo diámetro, las válvulas 1 y 3 están calibradas para el mismo caudal, permitiendo igual salida de flujo cuando los cilindros se extienden. Las válvulas 2 y 4 controlan igual flujo procedente de los cilindros cuando se retraen. Estas válvulas permiten flujo reverso pero no controlado.

El caudal de la bomba debe ser superior al caudal combinado que permiten las válvulas (1 y 3) o (2 y 4). Se recomienda seleccionar una bomba con un caudal ~5% superior a la suma de los caudales de las válvulas; el excedente será descargado a través de la válvula de alivio correspondiente. La sincronización depende de la división de carga entre cilindros, de las características de manufactura de las válvulas y del volumen de caudal disponible.

Este circuito limita el comando al empleo de válvulas de dos posiciones (como la válvula 5), por lo que los cilindros se desplazan entre extremos y no se detienen en puntos intermedios.

Si los cilindros se detuvieran en puntos intermedios, con la bomba aliviando en una posición intermedia de la válvula de comando, ocurriría un efecto de venteo entre ambas caras traseras de los cilindros, como se ilustra en la Fig. 5.44.

En la Fig. 5.43 se muestra un circuito que emplea válvulas de control de flujo compensadas de valor fijo. Las válvulas de retención comandadas (5 y 6) previenen el efecto de bombeo cuando los cilindros se detienen por acción de la válvula de comando. En cilindros con vástagos de gran diámetro, los volúmenes descargados en retroceso por la cara ciega pueden ser mayores que el caudal de la bomba; por ello, las restricciones de control (1 y 3) limitan el caudal de ingreso en avance y disponen en paralelo válvulas de retención para retorno libre en descenso. Las válvulas (2 y 4) controlan la velocidad de retroceso a un valor superior al de registro de las válvulas (1 y 3).

Fig. 5.44: Condiciones de bombeo entre cámaras ciegas de dos cilindros cuando las cargas no están uniformemente repartidas.

Cuando la válvula direccional de cuatro vías es centrada, el desbalance de fuerzas produce bombeo del cilindro de la derecha hacia el de la izquierda. El remedio es instalar un par de válvulas de retención pilotadas, que permiten pilotaje y apertura para retorno rápido cuando la válvula de cuatro vías es cambiada.

La sincronización de dos cilindros puede obtenerse aplicando dos circuitos idénticos, como en la Fig. 5.45.

Las bombas PF-1 y PF-2, del mismo caudal y accionadas por un motor eléctrico de doble eje, alimentan mediante válvulas direccionales a los cilindros. Para simultaneidad de movimientos, las válvulas direccionales deben vincularse mecánicamente, salvo cuando sean accionadas eléctricamente.

También puede sincronizarse con una bomba manual de dos pistones del mismo diámetro y carrera, sin añadir una válvula direccional de cuatro vías. Las válvulas de retención suelen estar incluidas en el cuerpo de la bomba manual (Fig. 5.46).

Empleando válvulas divisoras de caudal (Fig. 5.47) se divide el caudal en dos volúmenes exactamente iguales para cada extremo del cilindro, o en proporciones (25%/75%, etc.).

OPERACIÓN DESDE DIVERSAS POSICIONES

El método más común para controlar un cilindro desde dos o más posiciones es el empleo de válvulas shuttle, como las numeradas 3 y 4 en la Fig. 5.48.

En este circuito las válvulas 1 y 2 están ubicadas en forma remota respecto de la válvula principal (nº 5) y se emplean solo para pilotarla, por lo que su tamaño puede ser reducido (por ejemplo, 1/4"). Deben poseer centro flotante en su posición central y pueden operarse manual o eléctricamente. Las válvulas shuttle aceptan señales piloto de válvulas remotas y bloquean la presión piloto de una respecto de la otra, evitando que las señales se descarguen al tanque.

Puede aplicarse un número elevado de posiciones de control, como se observa en la Fig. 5.49.

Las posiciones de operación remota son 1, 2 y 3, y aparecen válvulas shuttle (5, 6, 7 y 8) que permiten la llegada de señales piloto y evitan que sean descargadas al tanque por las válvulas remotas no actuadas.

CONTROL DIRECCIONAL PARA ACCIONAR CILINDROS HIDRÁULICOS

En otras páginas tratamos sobre las bombas de desplazamiento positivo, que son los órganos que generan la potencia hidráulica en el circuito y la transmiten a través del fluido que circula por el sistema. Ese fluido debe dirigirse convenientemente hacia los distintos cilindros, actuadores o motores, de acuerdo con las exigencias y secuencias del trabajo.

Para esta finalidad se emplean las válvulas direccionales, de las cuales las más elementales son las válvulas de dos, tres y cuatro vías.

VÁLVULA DE TRES VÍAS, VÁLVULA GIRATORIA O ROTATIVA

Es una de las primeras válvulas que cambia la orientación del flujo. Posee tres bocas o “puertas”: una por donde entra la presión desde la bomba, otra que se comunica con el cilindro hidráulico y una tercera hacia el tanque o retorno.

Las válvulas distribuidoras vistas hasta ahora son de inversión axial. Existe otra configuración, la inversión rotativa. La figura siguiente muestra una válvula de tres vías y dos posiciones: el rotor gira 180° para carga o descarga del aceite.

En la Fig. 7.1 se muestra el corte de una válvula de tres vías en sus dos posiciones (A y B). En una posición, la corredera o husillo comunica la entrada de presión con la salida hacia el cilindro y bloquea el retorno al tanque. En la segunda posición, bloquea la entrada de presión y conecta el cilindro con el retorno a tanque.

Fig. 7.1

En una válvula de dos posiciones, una posición se logra mediante un resorte que mantiene la corredera en un extremo; la otra se logra por una señal de mando (manual, mecánica, eléctrica, o por piloto hidráulico o neumático) que desplaza el husillo al lado opuesto, venciendo la tensión del resorte.

Esta válvula se emplea para controlar cilindros de simple efecto y émbolos buzo, cuyo retorno se efectúa por acción de un resorte o por cargas exteriores, sin requerir retorno hidráulico.

Centros de las válvulas direccionales

Centro cerrado

En este tipo de centro, todas las vías permanecen cerradas, lo que impide, por ejemplo, mover manualmente el vástago del cilindro. Como la línea de presión queda cerrada, el fluido solo puede descargarse por la válvula de seguridad, elevando la presión hasta el máximo y descargando la bomba a alta presión.

Centro tandem

En posición central se bloquean las conexiones de trabajo (no se puede mover el sistema manualmente), pero presión y tanque quedan comunicados, permitiendo que la bomba descargue directamente al depósito y a baja presión. La reacción del sistema al pasar a posición de trabajo es más lenta que en centro cerrado.

Centro semiabierto

En posición central, las líneas de trabajo quedan comunicadas con el tanque (baja presión), por lo que el vástago puede movilizarse manualmente. La conexión de presión queda bloqueada, y la bomba descarga a alta presión a través de la válvula de seguridad.

Centro abierto

Todas las vías están comunicadas con la línea de tanque (baja presión), por lo que la bomba descarga también a baja presión. La reacción del sistema es más lenta que en los casos anteriores.

VÁLVULAS DE CUATRO VÍAS, DOS POSICIONES

Para gobernar cilindros hidráulicos de doble efecto o motores hidráulicos con control direccional en ambos sentidos, se emplea una válvula de cuatro vías. Posee cuatro bocas de conexión: una a la presión (P), otra al tanque (T) y dos hacia las cámaras del cilindro.

En la válvula de cuatro vías, dos posiciones, la corredera solo puede situarse en dos posiciones extremas. Cuando la válvula no está actuada, la presión P se comunica con la cara 1 del cilindro y la cara 2 se conecta al tanque T. Al invertir la corredera (Fig. 7.2), se invierten las conexiones: P alimenta la cara 2 y la cara 1 descarga a T.

En la Fig. 7.2 se observa el corte esquemático de una válvula de cuatro vías, dos posiciones, mostrando el conexionado interno.

Para facilitar la lectura de circuitos hidráulicos, se adoptan símbolos normalizados. En este texto se emplean símbolos de acuerdo con el USA Standard Institute (USASI), que difieren ligeramente de los del Joint Industrial Committee (JIG).

En la Fig. 7.2 se ve cómo se genera la simbología: se dibujan dos cuadros que representan las dos posiciones extremas de la corredera (A) y se traduce su conexionado interno a símbolos (B). Al anexar ambos cuadros (C) se obtiene el símbolo completo, al que se agregan rectángulos laterales para indicar el tipo de comando.

VÁLVULA DE CUATRO VÍAS, TRES POSICIONES (ver Fig. 7.3)

Es el tipo más popular. Además de las dos posiciones extremas, la corredera puede permanecer detenida en el centro del cuerpo de la válvula, mediante centrado por resortes, retención de bolilla u otro sistema mecánico.

Símbolo gráfico completo de una válvula de cuatro vías, tres posiciones, accionada a doble solenoide y centrada por resortes.

Cuando la válvula no está actuada, la corredera queda en su posición central. Al accionar el mando de un extremo u otro, la corredera se desliza en un sentido u otro.

Las bocas de conexión del cuerpo están normalizadas y se marcan siempre P, T, A y B. El símbolo es similar al de una válvula de cuatro vías, dos posiciones, pero con un tercer cuadro central que representa la posición neutral.

Para completar el símbolo, se agregan en ambos extremos los rectángulos que indican el tipo de actuación (manual, solenoide, piloto, etc.).

Algunos detalles prácticos para interpretar correctamente la simbología:

1. Todas las conexiones externas deben hacerse a un solo bloque del símbolo (el bloque activo). Es incorrecto repartir líneas entre bloques.
2. En válvulas de dos posiciones, el bloque con líneas paralelas representa la válvula no actuada (solenoide desenergizado); el otro bloque representa la válvula actuada.
3. En válvulas de tres posiciones, el bloque central representa la válvula desenergizada; su conexionado depende del tipo de corredera.
4. En válvulas de dos posiciones, las conexiones se dibujan en el bloque más alejado del actuador para representar la condición no actuada.
5. Puede dibujarse la válvula “actuada” solo si existe una condición especial que lo justifique.
6. El bloque actuado es el adyacente al símbolo de acción motora; el bloque no actuado es el adyacente al resorte antagonista.
7. En válvulas de cuatro vías, tres posiciones centradas por resortes, el bloque central es siempre la condición desenergizada; los laterales corresponden a cada actuador adyacente.

VÁLVULAS DE CUATRO VÍAS, TRES POSICIONES - HUSILLOS: TIPOS CONSTRUCTIVOS

En la Fig. 7.5 se muestra una corredera que, en posición central, clausura completamente las cuatro puertas (P, T, A y B). Esta válvula se denomina de centro cerrado (Closed Center).

En la Fig. 7.6 se muestra otro tipo muy popular: centro abierto (Open Center). En posición central intercomunica todas las puertas, descargando A y B al tanque y permitiendo además la descarga libre de la bomba al tanque cuando la válvula no está actuada.

Si en posición central se descargan A y B al tanque, pero la presión de la bomba permanece cerrada, la válvula se denomina centro flotante (Floating Center). En este caso, si la fricción no lo impide, el pistón puede desplazarse manualmente.

En las válvulas de cuatro vías y tres posiciones vistas hasta ahora (centro cerrado, centro abierto y centro flotante), la corredera es maciza, sin hueco interior. En el tipo siguiente, la corredera es interiormente hueca: en posición no actuada bloquea A y B pero permite que la bomba descargue libremente al tanque.

Esta particularidad permite conectar una serie de estas válvulas formando un “paquete”, en el que las válvulas se conectan en serie tipo tandem: la descarga a tanque de la primera válvula se conecta a la entrada de presión de la segunda, y así sucesivamente.

Esta agrupación en serie permite accionar un grupo de cilindros hidráulicos, cada uno con una maniobra determinada en una máquina (por ejemplo, una motoniveladora), operando una válvula por vez mientras las otras permanecen sin actuar.

En estas condiciones, todas las válvulas aguas arriba de la válvula operada permanecen abiertas y dejan pasar la presión hacia la válvula actuada aguas abajo. En cambio, no hay entrada de presión para ninguna válvula posterior, ya que la válvula cerrada impide que la presión continúe. Cuando todas las válvulas están inactivas (correderas centradas), la bomba descarga libremente su caudal a través del conjunto hacia el tanque.

Se representa una válvula tipo tandem (Tandem Type) en la Fig. 7.7.

Existen otras configuraciones de corredera usadas en circuitería hidráulica. A continuación se muestran válvulas con diferentes conexionados en posición central (todas de cuatro vías, tres posiciones). En la Fig. 7.8 se dibujan únicamente las conexiones correspondientes al bloque central, cuando la corredera está en posición “neutral”.