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Cuaderno de Hidráulica: Control de la carga aplicada sobre actuadores hidráulicos

En diversas situaciones se hace imprescindible el control de la carga que actúa sobre los cilindros hidráulicos de nuestro sistema. En situaciones de elevación de cargas, cuando los actuadores hidráulicos llegan al final de su carrera o la carga ha alcanzado su posición mas extrema, es necesario bloquear dicha carga bien por motivos puramente de seguridad o bien por una necesidad del proceso que tratamos de automatizar.

Efectivamente, lo mejor y mas seguro es bloquear de forma mecánica la carga que acabamos de mover. Para ello, el diseñador puede ingeniar el método de bloqueo mas apropiado y, lo que si es importante, el mecanismo de desbloqueo. De esta forma, nuestro circuito hidráulico es independiente del bloqueo de la carga, es decir, producirá la energía suficiente para mover la carga en un sentido u otro pero serán mecanismos externos los que aporten la seguridad suficiente para bloquear e impedir el movimiento de dicha carga.

Habrá ocasiones en los que, bien por tema económico, o bien por tema de espacio, etc, lo más fácil será incorporar a nuestro sistema hidráulico los mecanismos necesarios y suficientes para aportar la tan ansiada seguridad y control de la carga aplicada en los actuadores hidráulicos. En una máquina de papel prensa existen múltiples ejemplos de circuitos hidráulicos en los que, de una manera u otra, se incorporan ciertos mecanismos que implementan de manera efectiva la seguridad del movimiento de las cargas.

Como primer ejemplo, muestro un circuito hidráulico empleado para el movimiento vertical de una bandeja de recogida de agua que debe permanecer retraída en su posición superior durante un cambio de fieltro en la sección de prensas. Es importante asegurar que permanece en su posición extrema superior para impedir dañar el fieltro mientras éste es introducido en la máquina. Una vez terminado el proceso de cambio, la bandeja vuelve a su posición normal y entonces, sí es asegurada o fijada en dicha posición por medios mecánicos, pero en cambio, es el propio circuito hidráulico el que asegura que la bandeja queda en su posición superior e impide que por cualquier circunstancia pueda volver a la posición inferior. Esta circunstancia de la que hablo puede ser una rotura de manguera o la propia fuga de aceite hacia el tanque que presenta toda válvula direccional de corredera sometida a una carga (como es el peso de la bandeja en este caso). Incluso si en su posición central se indica lo contrario, siempre existe este paso de aceite. Las válvulas direccionales de corredera no son totalmente estancas y esta circunstancia está causada por la necesaria tolerancia que debe existir entre la corredera y el alojamiento en el que se mueve y por la imperfección en el mecanizado de ambas superficies.

Esquema hidráulico ejemplo 1

Fijémonos primeramente en la parte inferior correspondiente a los elementos de distribución. Aparecen reunidos en un armario hidráulico al que llegan las lineas de presión P y retorno T. La presión de la línea principal pasa por la válvula 23PV4235 reductora de presión, ésta reduce la presión a 20 bar y su diseño de sandwich en placa permite montarla físicamente debajo de la electroválvula 23XV4235. Ésta es una válvula de corredera de cuatro vías y tres posiciones (4/3) accionada por señal eléctrica y muelles.

Montaje de ambas válvulas junto a otras mas

Dicha válvula controla los dos cilindros hidráulicos 23CH4235.1 y 23CH4235.2 que mueven la bandeja de recogida de agua en la prensa y cuando no existe señal eléctrica en ninguna de las bobinas de la electroválvula, la corredera, por acción de los muelles, adopta la posición central de su esquema, comunicando ambos canales A y B con el retorno al tanque T. También encontramos en el mismo armario hidráulico las válvulas reguladoras de caudal 23FV4235.1 y 23FV4235.2 cuya función es la de controlar la velocidad de subida y bajada de la bandeja mediante la regulación del caudal de salida de ambas cámaras de los cilindros.

En la parte superior correspondiente a los actuadores hidráulicos encontramos los elementos 23GC4235.1 y 23GC4235.2 conectados a las cámaras inferiores de ambos cilindros hidráulicos. Son dos válvulas antiretorno pilotadas en su apertura y con canal de venteo o de fugas. Según podemos observar en el esquema, la válvula posee 4 canales, el fluido de trabajo puede atravesarla libremente desde 2 a 1 pero queda bloqueada en sentido inverso. Esta función es la que proporciona a nuestro sistema hidráulico la seguridad requerida para que la bandeja no vuelva a su posición inferior en caso de rotura de manguera, corte de corriente eléctrica o por fuga de aceite en la corredera de la electroválvula 23XV4235. Estos elementos deben estar montados físicamente lo mas cerca posible de los actuadores para proporcionar el mayor nivel de seguridad posible. La válvula antiretorno puede ser desbloqueada mediante una determinada presión de desbloqueo, a través del canal 3, proporcional a la presión existente en el canal de carga 1. En este caso se utiliza la misma presión que la que suministra la electroválvula 23XV4235 a través del canal B, cuando se excita mediante señal eléctrica la bobina a (según el esquema de secuencia de la parte superior derecha) que ordena bajar la bandeja. Si no desbloqueásemos ambos antiretornos pilotados no sería posible mover la carga en la dirección “bajar”. El canal 4 del antiretorno pilotado simplemente despresuriza y conduce el aceite de fugas procedente de su corredera. Los antiretornos pilotados con canal de fuga o venteo permiten que la presión de desbloqueo, sobre el canal 3, pueda abrir la válvula independientemente de la presión existente en el canal 2, no siendo así si no existiese este canal 4, en ese caso, la presión en el canal 2 debería ser 0 bar, de otra forma no sería posible desbloquear el antiretorno. En este caso se han usado este tipo de antiretornos pilotados con conexión para aceite de fuga por que ambos canales 2 se encuentran pretensionados por las válvulas reguladoras de caudal 23FV4235.1 y 23FV4235.2.

Para el segundo ejemplo os muestro una auténtica curiosidad tecnológica que no es muy habitual encontrar. Se trata de un circuito para el control de dos cilindros hidráulicos usados para el movimiento de dos pinzas que aseguran el rodillo mandril en la enrolladora. Este rodillo es dónde se enrolla el papel que va saliendo de la máquina a 1900 m/min y es vital el que se mantenga en una posición, fijada de manera segura mediante nuestro sistema hidráulico.

Esquema hidráulico ejemplo 2

La presión necesaria en los cilindros para asegurar un cierre fiable es de 160 bar, sin embargo, podemos observar que la válvula reductora de presión 23PV6245.1, existente delante del distribuidor 23XV6245 de cuatro vías y tres posiciones, está tarada en 80 bar, es decir, nuestro circuito se alimenta con aceite a 80 bar de presión y sin embargo, en los cilindros hidráulicos tenemos 160 bar, justo el doble. Veamos como funciona.

El distribuidor 4/3, a través de dos antiretornos pilotados 23GC6245.1 montados en placa (primera seguridad contra fugas en la corredera del distribuidor) controla la carrera de salida o cierre de las pinzas mediante señal eléctrica en su bobina ‘a’, regulando la velocidad de cierre a la salida de las cámaras superiores de ambos cilindros con las válvulas reguladoras de caudal 23FC6245.2 y 23FC6245.3. Existe en esta línea una bifurcación que alimenta a la vez al elemento 23PV6245.2 denominado amplificador hidráulico o multiplicador de presión. Es este elemento el que, al cabo de cierto tiempo proporciona el incremento de presión hasta los 160 bar. Cuando el aceite entra en dicho elemento, éste comienza a trabajar para generar la mayor presión de salida y una vez alcanzada se detiene y sólo trabajará para mantenerla. El funcionamiento de este elemento es como sigue:

Esquema del amplificador hidráulico

El aceite entra por la conexión IN y pasa por las válvulas de retención KV1 y KV2 hasta llegar al lado de alta presión. Al mismo tiempo, la conexión R se conecta al tanque. En este momento, todo el caudal que pasa por el amplificador llega a los actuadores hidráulicos que efectuarán su carrera de trabajo a la velocidad regulada hasta que lleguen al final de su carrera, en este instante la válvula KV2 se cierra y ahora el aceite irá llenando el espacio Vol. 1, como se observa en la figura anterior, el espacio Vol. 2 está conectado a Vol. 3 y al tanque R por medio de la válvula BV1. La acumulación de presión en Vol. 1 hace que los pistones HP y LP se muevan hacia abajo. Cuando el pistón de alta presión HP ha bajado completamente, el conducto piloto 1 es sometido a presión y acciona la válvula BV1, que cambia de posición, esto ocurre por que la corredera de esta válvula tiene mayor superficie en este lado que en el contrario, donde el conducto piloto 2 tiene una presión constante. De este modo Vol. 2 se alimenta con la presión P (80 bar) y los pistones LP y HP suben por que la superficie de LP es mayor que la de HP (concretamente el doble). El aceite en Vol. 1 pasa al lado de alta presión y cuando HP sobrepasa el conducto piloto 1, este vuelve a quedar compensado y BV1 regresa a su posición inicial. Esto continua así cíclicamente hasta que la presión existente en el lado de alta presión aumenta de manera proporcional a la relación entre las superficies de LP y HP (en este caso 160 bar ya que la relación es 2:1), momento en el que se detendrá, si existiese una caída de presión en el lado de alta presión, debido a pequeñas fugas por ejemplo, automáticamente comenzaría un nuevo ciclo.

Aspecto del amplificador hidráulico

El amplificador no tiene la capacidad suficiente para dejar pasar todo el caudal necesario de aceite para que los cilindros efectúen previamente su carrera a la velocidad necesaria, por ello se ha colocado el antiretorno pilotado 23GC6245.2 que además de suministrar el caudal necesario a los cilindros, aísla al resto del circuito de la zona de alta presión. Por su parte, el regulador de caudal 23FC6245.1, tarado a un máximo de 8 l/min, simplemente protege al multiplicador de presión puesto que un caudal mayor puede acelerar la frecuencia de trabajo del mismo hasta un nivel que reduciría su vida útil.

Para la apertura de las pinzas de sujeción basta enviar una señal eléctrica a la bobina ‘b’ del distribuidor 4/3 23XV6245 que presurizará el canal A, pilotando y anulando los antiretornos existentes en el canal B, eliminando la alta presión existente en las cámaras inferiores de ambos cilindros hidráulicos y enviando todo este aceite al tanque.

Como veis, el uso de este sistema es muy eficaz. Está principalmente indicado para sistemas hidráulicos en los que se necesite presión alta en puntos muy localizados y sin consumo de aceite, es decir, en sistema de fijación o sujeción de máquinas-herramientas, fijación de grandes piezas, etc. Abarata enormemente la instalación al emplear toda ella elementos de baja presión. Por ello, el multiplicador de presión debe estar instalado lo mas cerca posible de los actuadores hidráulicos. El mantenimiento de estos elementos es prácticamente nulo, pasa por la vigilancia periódica de fugas y de la presión a su salida.

Por favor, dejad vuestros comentarios e inquietudes. Gracias.

Un saludo.

mecantech@gmail.com
  1. 04/07/2011 a las 10:21

    Muy buen artículo. Un saludo.

  2. 10/03/2014 a las 00:42

    muy curioso y perfectamente explicado. Muchas gracias y sigue asi…

  3. Epifanio Vázquez cruz
    20/11/2015 a las 21:44

    saludos mecantech. muy buenas páginas bien explicadas solo tengo una inquietud y por supuesto un problema en un equipo al levantar la carga y accionar el orbitrol de la dirección , se pone lento para levantar la carga. esto es en una retroexcabadora CAT. le agradecería si pudiera darme un buen tip gracias.

    • 21/11/2015 a las 02:40

      Hola Epifanio, no soy experto ni conozco este tipo de maquinaria pero sí te puedo decir que se trata de una falta de caudal a la hora de levantar. Mira a ver si puedes averiguar cómo se produce. Un saludo.

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