Cuaderno de Hidráulica: Control de velocidad en el movimiento de una carga variable.

Hoy en día los sistemas hidráulicos proporcionan una flexibilidad impresionante a la hora de implementar las diversas funcionalidades en nuestras máquinas y equipos. Son muchas las necesidades y funciones que se le exigen a estos sistemas hidráulicos y por supuesto éstas se irán ampliando a medida que avance el estado de la técnica en este campo. No es la primera vez que menciono la importancia que tiene el hecho de conocer todas y cada una de las funciones que están implementadas mediante sistemas hidráulicos en las máquinas de papel o equipos en general. Por ello me gusta publicar de vez en cuando.entradas que describen con más o menos acierto estas interesantes funcionalidades. En esta ocasión quiero compartir con vosotros un sistema hidráulico cuya función es la de controlar el movimiento de una carga variable, proporcionando un movimiento a velocidad constante, independiente del valor de la carga e incluso implementando paradas con rampas de deceleración controladas.

El trabajo realizado contra una carga resistente es el objetivo final de cualquier sistema hidráulico. La estructura de los sistemas hidráulicos suele ser siempre la misma, en ellos encontramos un primer bloque formado por los elementos de generación de caudal, un segundo bloque que incluirá los elementos de regulación y control y por último, un tercer bloque que contendrá a los elementos de maniobra o actuadores hidráulicos. Este último bloque de elementos es el encargado de realizar el trabajo sobre la carga resistente. El tipo de carga resistente define la necesidad de implementar un tipo de actuador u otro, podrá ser un esfuerzo dirigido en una determinada dirección y con un determinado sentido o también puede tratarse de un momento torsor e incluso de una combinación de ambos. Estas cargas pueden ser estáticas y dinámicas, las cargas estáticas son aquellas que no tienen variación alguna en cuanto a su dirección, sentido y punto de aplicación y el resto se considerarán como cargas dinámicas. Un ejemplo claro de carga variable es el movimiento del rodillo mandril en el brazo primario de la enrolladora de una máquina de papel.

Máquina enrolladora

El enrollado final en una máquina de papel no es tarea fácil, las máquinas modernas son complejas y gran parte de ellas trabajan en base a diversos sistemas hidráulicos. Es evidente que el enrollado se realiza de forma continua y la secuencia de cambio es la que permite el cambio del rodillo mandril cuando éste ha completado su capacidad. Sin entrar en detalles sobre ésta secuencia de cambio mencionaré que el brazo primario de la máquina es el encargado de transferir el rodillo mandril desde su posición de espera en el brazo de transferencia del cargador de mandriles (parte superior de la máquina) hasta una posición inferior de trabajo. Este movimiento se realiza mediante un giro de 90° y en varias fases de los brazos primarios, accionados por dos cilindros hidráulicos. El siguiente vídeo muestra la secuencia de cambio del rodillo mandril en una enrolladora Sirius fabricada por Voith. En el aparece el giro que realizan los brazos primarios al transferir el rodillo de su posición superior a su posición inferior de enrollado.

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El peso del rodillo mandril produce un par resistente variable, es decir, cuanto más lejos está el eje de acción de la carga respecto al punto de giro del brazo primario mayor será el momento de torsión producido por el peso del rodillo mandril. El aumento de este momento de torsión produce un aumento de la velocidad de desplazamiento de la carga simplemente por efecto de la gravedad produciendo aceleraciones y cargas dinámicas indeseadas. Veamos como puede solucionarse el sistema hidráulico de este movimiento para implementar paradas suaves, aceleraciones controladas y un movimiento a velocidad constante, independiente de la carga resistente.

Sistema hidráulico para el movimiento de los brazos primarios de una enrolladora

La figura anterior muestra el esquema hidráulico del sistema e indica en la parte inferior la lista del material empleado para su implementación en la máquina enrolladora. En la parte superior aparecen representados los actuadores o cilindros hidráulicos 23CH6242.1 en un lado de la máquina y 23CH6242.2 situado en el lado contrario. Ambos cilindros se encargan de mover los brazos primarios de la máquina y lo hacen de forma sincronizada puesto que el brazo primario de un lado es solidario mediante un eje mecánico con el brazo primario del lado contrario.

Brazo primario en el lado operación de una enrolladora. Se aprecia parte del cilindro hidráulico que lo mueve.

La electroválvula direccional 23XV6242 es una válvula de 4 vías y tres posiciones que controla el movimiento de ambos cilindros. La secuencia de funcionamiento queda representada en la esquina superior derecha del esquema. Para subir ambos brazos primarios debemos excitar la bobina a de la electroválvula 23XV6242, de esta forma los cilindros hidráulicos comenzarán su carrera extendiendo el vástago hasta que los brazos alcancen la posición superior. Por otra parte, excitando la bobina b de la misma electroválvula 23XV6242 conseguimos que los cilindros efectúen su carrera descendente y que los brazos primarios bajen transfiriendo el nuevo rodillo mandril hasta su posición de enrollado.

Electroválvula direccional 4/3 precomandada. Debajo está la placa que contiene el antiretorno.

En el mismo esquema aparecen dos elementos de control, el primero de ellos es la válvula antiretorno 23GC6242 en construcción de placa intermedia y cuya función es la de retener el fluido hidráulico en los actuadores impidiendo que éstos puedan moverse en caso de corte de energía o parada de la máquina, para desbloquearla solo es necesario presurizar el canal de desbloqueo activando el movimiento de los cilindros en sentido contrario. El segundo elemento de control es la válvula reductora de presión precomandada 23PV6242.1 cuya función es reducir la presión del canal A de salida de la electroválvula direccional 23XV6242 hasta un valor de 40 bar, es decir, es necesario emplear una presión reducida en el canal A para bajar los brazos primarios con el fin de obtener una contrapresión en canal B adecuada (40 bar más la producida por el peso del rodillo mandril). Esta válvula, gracias al pequeño antiretorno insertado en el cuerpo de la misma, permite regular presión únicamente en un sentido.

Válvula reductora de presión precomandada Rexroth tipo DR.

Ahora bien, habréis notado que aparte de los elementos de control descritos, aparecen dos elementos más montados sobre el canal de retorno T a tanque de la electroválvula de mando principal. Estos elementos singularizan el esquema hidráulico convirtiéndolo en un esquema hidráulico verdaderamente interesante. El control de la velocidad a la que se mueve la carga se produce por medio del estrangulamiento del caudal del fluido hidráulico que retorna desde ambos cilindros a través del canal T de la electroválvula direccional 23XV6242 hacia el tanque, de esta forma se implementan paradas intermedias de la carga, deceleraciones, cambios de velocidad y aceleraciones de la carga. Para ello se ha montado la válvula proporcional estranguladora de dos vías 23HV6242 cuya forma constructiva permite el montaje de la misma en bloques.

Válvula proporcional estranguladora Rexroth tipo FESE montada sobre un bloque de control

De esta forma puede controlarse fácilmente la velocidad de movimiento de los cilindros hidráulicos simplemente variando la sección de paso del caudal de flujo. Ahora bien, al tratarse de una válvula estranguladora, el caudal Q que la atraviesa depende de la diferencia de presión en el punto de estrangulamiento, cuanto mayor es esta diferencia de presión, mayor es el caudal que la atraviesa. En nuestro caso, el rodillo mandril para el enrollado del papel es tratado como una carga variable puesto que posee un movimiento descendente circular y a medida que el eje de aplicación de la carga se aleja del centro de giro, produce un par resistente mayor, lo cual produce un aumento de la carga sobre los cilindros hidráulicos y de esta forma aumenta la presión a la entrada de la válvula estranguladora del flujo lo cual termina produciendo un aumento del caudal que la atraviesa y que se traduce en un aumento de la velocidad de descenso de dicha carga. En nuestra aplicación, este efecto no es deseado, buscamos un movimiento constante, una velocidad de movimiento invariable frente a variaciones de la carga externa aplicada sobre los consumidores o actuadores hidráulicos. Y es ésta, precisamente, la función de la válvula insertable o de cartucho de dos vías con función de reducción de presión 23PV6242.2. Dicha válvula sirve como compensador de presión y junto con la válvula proporcional estranguladora permite obtener un conjunto o sistema de regulación del flujo independiente a la carga aplicada. El caudal regulado por la válvula proporcional se mantendrá constante puesto que la válvula insertable mantiene una diferencia de presión constante entre la entrada y la salida del estrangulador proporcional. Evidentemente la diferencia de presión entre la entrada y la salida del estrangulador la fija el propio estrangulador, ya se encarga el compensador de presión de mantener esa diferencia de presión constante para permitir obtener un caudal Q regulado constante e independiente de la carga.

Los elementos empleados en esta aplicación han sido elegidos de acuerdo con el caudal de flujo requerido que en este caso es elevado. Es por ello el que se ha tomado una válvula de cartucho como válvula reductora de presión. Es lógico pensar que esta forma de regulación y control del movimiento de una carga variable puede ser implementada con otros elementos acordes al caudal requerido por cada aplicación concreta.

Es todo, espero que os resulte interesante y que la explicación sea clara. Si hacéis un análisis más despacio podréis comprobar que son conceptos que aparecen en cualquier curso de hidráulica avanzada al que hayáis podido asistir pero que a veces son complicados de ver al primer vistazo del esquema hidráulico. Como siempre, os animo a dejar vuestros comentarios o dudas al respecto. Gracias.

Un saludo

mecantech@gmail.com

 

 

 

 

 

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