Proyecto PLC

UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR

COORDINACION DE INGENIERIA MECANICA

DISEÑO DE BANCO SIMULADOR DE CIRCUITOS OLEOHIDRAULICOS PORTATIL

Por Oswaldo Enrique Ochoa Amundaraín

Sartenejas, Septiembre 2008

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COORDINACION DE INGENIERIA MECANICA


Trabajo de grado realizado en: Universidad Simón Bolívar

AUTOR: Oswaldo Enrique Ochoa Amundaraín Carnet Nº 01-34212

TUTOR ACADÉMICO: Prof. Joaquín Santos

TRABAJO DE GRADO DE INGENIERIA MECANICA Presentado ante la ilustre Universidad Simon Bolívar

Como Requisito Parcial para Optar al Titulo de Ingeniero Mecánico

Sartenejas, Septiembre 2008

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DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIÓN DE MECANICA


PROYECTO DE GRADO presentado por Br. Oswaldo Enrique Ochoa Amundarain

REALIZADO CON LA ASESORIA DE

Prof. Joaquín Santos

RESUMEN

El presente trabajo consiste en el diseño de un banco simulador de circuitos oleohidráulicos portátil para la universidad Simón Bolívar. El objetivo es crear un banco de circuitos oleohidráulicos, donde se puedan montar las prácticas necesarias de laboratorio relacionadas con este tema. El banco debe permitir la simulación de circuitos básicos de gran utilidad en procesos industriales, de forma tal que estos puedan ser controlados para la producción de acciones, procesos o trabajos útiles. El sistema de control de éstos permite la activación de forma manual o por señales eléctricas (relés y PLC). El diseño del banco simulador de circuitos oleohidráulicos, se dividió en: selección de los circuitos oleohidráulicos, diseño de las prácticas de laboratorio para cada circuito, selección de los componentes hidráulicos, eléctricos y electrónicos, y la propuesta de la estructura del banco. Las prácticas de laboratorio que se realizarán en los circuitos hidráulicos seleccionados fueron simuladas en el software AutomationStudio, esto para realizar el analises de dichas prácticas, así como para generar los esquemas de los circuitos. La selección de los componentes hidráulicos se realizó por medio de catálogos industriales y los planos que muestran los ensambles de dichos componentes fueron realizados con el software Inventor. Además de los componentes básicos de la oleohidráulica se seleccionaron los dispositivos de control. La forma de la estructura del banco también se realizo escogiendo las piezas de catálogos, buscando que sea transportable, robusto y ergonómico. Los planos de la estructura incluyen las medidas y la ubicación sugerida de los elementos hidráulicos en el banco para realizar las prácticas de laboratorio Palabras claves: Oleohidráulica, circuitos, diseño, control, procesos.

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AGRADECIMIENTOS

Primero quiero agradecer a Dios por haber creado este mundo de la manera en que es y

permitir que el hombre haga su vida en el.

A mis Padres, Milena y Osvaldo por apoyarme en todo momento, a mi hermano Luis por

ser un buen hermano, y a mi abuela Victoria. A la mayoría de mis tíos y mis tías, que se que en

ellos puedo contar en cualquier momento, buenos y malos. A mis primos y primas que son como

hermanos también. A mis amigos que me acompañaron durante estos años en la Universidad.

A mi tutor, Joaquín Santos y su paciencia para conmigo en este trabajo, y saber guiarme

muy bien en el desarrollo del mismo. A Felice Ferri por apoyarme y ayudarme también en este

trabajo.

Y bueno, gracias a todos los que aquí mencioné y muchas personas más.

vi

DEDICATORIA

Al movimiento estudiantil de 2007, en especial a sus bases, que con su lucha logró que la

democracia venezolana no sufriera un mayor revés en el referéndum del 2 de diciembre del

mismo año. Fue una victoria sudada, ajustada y por los derrotados menos preciada, pero victoria

al fin y aunque todavía falte algo de tiempo para lograr tener un país con una verdadera

democracia, y mucho más tiempo para tener un país realmente prospero, para lo cual se necesita

más que un movimiento estudiantil, el esfuerzo que se hizo en el año 2007 merece un gran

reconocimiento.

vii

ÍNDICE GENERAL

ÍNDICE GENERAL ………………………………...……..……………….……...... vii

ÍNDICE DE FIGURAS ….……………………..…………………………..……........ xi

GLOSARIO DE TERMINOS ..………………………………………….………….... . xvii

INTRODUCCIÓN …………………………………………………….………..…....... 1

CAPÍTULO 1 Marco teórico .…………………...…………….……….…….....…….... 4

1.1 Introducción …………………………………………………………… ..……..... 4

1.2 Hidráulica…………………………………………………………………..…..... 4

1.3 Fluido..………………………………………………………………….……..…. 5

1.4 Viscosidad .……………………………………………………………...…….….. 5

1.5 Densidad..…………………………………………………………………….... .... 6

1.6 Principio de Pascal ..………………………………………………………...…….. 7

1.7 Teorema de Bernoulli..……………………………………..…………………....... 7

1.8 Fluido de trabajo……………………...………………………………………….. 8

1.9 Presión.…………………………………….…………………………………....... 9

1.10 Caudal ...…………………………………………………………………….…..... 9

1.11 Potencia hidráulica ……….……………………………………………….…..... 10

1.12 Principio de palanca hidráulica ...….………………………………………........... 11

1.13 Conservación de la energía......………………………………………………....... 12

1.14 Número de Reynolds...………………………………………………………........ 13

1.15 Régimen laminar y turbulento..………………………………………………...... 14

1.16 Caída de presión ..…………………………………………………………........... 15

1.17 Pérdidas de potencia transformadas en calor .………………………………........ 16

viii

1.18 Simbología …………………………………………………………………......... 17

1.19 Bombas hidráulicas de desplazamiento positivo…...…………………….....…........ 18

1.20 Válvulas...………………………………………………………....……..……....... 19

1.21 Válvula de control de presión ……………………………………………..………. 20

1.22 Válvula de alivio …………………………………………………………..…….... 23

1.23 Válvula de contra-balance ………………………………………………..……….. 23

1.24 Válvula de secuencia ..…………………………………………………………. . 23

1.25 Válvula reductora de presión ...………………………………………………….. 25

1.26 Válvulas direccionales ...………………...……………………………………..... 25

1.27 Válvulas reguladoras de caudal ...……...………………………………………... 27

1.28 Válvulas antirretorno …...………………………………………………………... 29

1.29 Válvula desaceleradora …………………………………………………………... 30

1.30 Actuadores ....…………………………………………………………………….. 32

1.31 Actuadores lineales de doble efecto……………………………………………….. 32

1.32 Actuadores rotativos .......………...…………………………………………….... 34

1.33 Válvulas de cartucho ...………………………………………………………….. 35

1.34 Funcionamiento de las válvulas de cartucho para insertar y para roscar…..………. 36

1.35 Válvulas reguladoras tipo cartucho……………………………………………….... 39

1.36 Válvulas de cartucho para roscar como controladores de presión…………………. 41

1.37 Distribuidor o manifold…………………………………………………………….. 42

1.38 Manómetros y caudalímetro ...…………………………………………..………. 42

1.39 Controlador lógico programable ...…………………………………….………... 42

1.40 Relé…………………………………………...…………………………..………... 44

1.41 Circuitos eléctricos de relés………………………...……………………..……….. 45

CAPÍTULO 2 Marco Metodológico ....……………………………………..………...... 46

2.1 Revisión de bibliografía .....………………………………………………………... 46

2.2 Selección de circuitos oleohidráulicos a simular .....……………………………… 47

ix

2.3 Diseño de prácticas........…………………………………………………………….... 47

2.4 Cálculos de los circuitos......………………………………………………………...... 48

2.5 Selección de los componentes mecánicos ....……………………………………....... 48

2.6 Selección de los componentes eléctricos de control........………………………….... 48

2.7 Realización de los planos de la estructura del banco.……………………………..... 48

2.8 Manual de prácticas………………………………………………………………...... 49

CAPÍTULO 3 Selección de circuitos……………………...………………………….......... 50

3.1 Circuito Nº 1………………………………………………………………………..... 51

3.2 Circuito Nº 2………………………………………………………………………..... 53

3.3 Circuito Nº 3…………………………………………………………………………. 55

3.4 Circuito Nº 4………………………………………………………………………..... 57

3.5 Circuito Nº 5………………………………………………………………………..... 59

3.6 Circuito Nº 6………………………………………………………………………..... 61

3.7 Circuito Nº 7…………………………………………………………………………. 65

3.8 Circuito Nº 8…………………………………………………………………………. 68

3.9 Circuito Nº 9…………………………………………………………………………. 69

3.10 Circuito Nº 10……………………………..…………………………………………. 71

CAPÍTULO 4 Planteamiento de las prácticas de control…….…....……………………….. 74

4.1 Circuito Nº 1.1……………………………………………………………………….. 78

4.2 Circuito Nº 2.1……………………………………………………………………….. 81

4.3 Circuito Nº 3.1……….……………………………………………………………..... 81

4.4 Circuito Nº 4.1……………………………………………………………………....... 93

4.5 Circuito Nº 5.1………………………………………………………………………... 96

4.6 Circuito Nº 6.1………………………………………………………………………... 98

4.7 Circuito Nº 7.1…………………………………………………………………….…. 99

4.8 Circuito Nº 8.1………..………………………………………………………….…. 105

4.9 Circuito Nº 9.1……..…………………………………………………………...…... 108

4.10 Circuito Nº 10.1……..…………………………………………………………......... 111

x

CAPÍTULO 5 Cálculos de los circuitos……….………………………...……………..... 114

CAPÍTULO 6 Selección de los componentes hidráulicos…………...…………….…….. 120

6.1 Selección de la bomba……………………………………………………………….. 121

6.2 Selección de válvulas direccionales cuatro vías tres posiciones…………………....... 121

6.3 Selección de actuadores lineales y rotativos…………………………………….…… 122

6.4 Selección de válvulas direccionales dos vías dos posiciones………………………... 123

6.5 Selección de válvulas reguladoras de caudal……………………………………….... 123

6.6 Selección de válvulas de control de presión: válvula de contra-balance, válvula

reductora de presión y válvula de secuencia..……………………………...……....... 124

6.7 Selección de válvula de freno para motor hidráulico………………………………... 125

6.8 Selección de los conectores y adaptadores para los elementos del banco...………..... 125

6.9 Selección de los conectores rápidos (quick-coupling)……………………………….. 125

6.10 Selección de mangueras…………………………………………………………….. 125

6.11 Selección de instrumentos de medición para el banco……………………………... 125

CAPÍTULO 7 Selección de componentes de control…………………………………… 127

Selección de componentes de control..........................…………………………………... 128

CAPÍTULO 8 Planos del banco…………………………………………………………. 129

CAPÍTULO 9 Circuito oleohidráulico para el sistema de alimentación…...……………. 162

CAPÍTULO 10 Estimación de costos................................................................................ 167

CAPÍTULO 11 Conclusiones y recomendaciones…..…………………………………... 170

Bibliografía………………………………………………………………………………. 173

Anexos................................................................................................................................ 175

xi

ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Tubería con cambio de sección……………………………………...…………. 8

Figura 2. Palanca hidráulica……………………………………………………………..... 11

Figura 3. Relación de desplazamientos y conservación de la energía……………………. 13

Figura 4. Régimen laminar………………………………………………………………... 14

Figura 5. Régimen turbulento……………………………………………………………... 14

Figura 6. Simbología ISO-CETOP………………………………………………………... 17

Figura 7. Bomba de engranajes………………………………………………………….... 19

Figura 8. Válvula de secuencia activada por piloto……………………………………..... 20

Figura 9. Válvula de alivio activada de forma directa……………………………………. 21

Figura 10. Válvula compuesta activada directamente…………………………………........ 22

Figura 11. Válvula de contra-balance…………………………………………………......... 24

Figura 12. Válvula de secuencia…………………………………………………………..... 24

Figura 13. Válvula reductora de presión………………………………………………........ 25

Figura 14. Válvula direccional 4 vías 3 posiciones accionada por palanca……………….... 26

Figura 15. Válvula direccional 4 vías 3 posiciones accionada por solenoides…………... .... 27

Figura 16. Válvula reguladora de caudal no compensada tipo aguja………………….......... 28

Figura 17. Válvula reguladora de caudal de presión compensada………………….……..... 29

Figura 18. Válvula antirretorno…………………………………………………………...... 30

Figura 19. Válvula desaceleradora………………………………………………………..... 31

Figura 20. Actuador lineal doble efecto…………………………………………………...... 33

Figura 21. Actuador rotativo……………………………………………………………....... 34

Figura 22. Construcción de válvula de cartucho para insertar……………………………... 37

xii

Figura 23. Relación de áreas de una válvula tipo cartucho………………………………. 38

Figura 24. Cavidades para válvula de cartucho para roscar……………………………… 39

Figura 25. Válvula de cartucho para roscar tipo aguja…………………………………... 40

Figura 26. Válvula reguladora de caudal compensada…………………………………... 40

Figura 27. Válvula reductora de presión y de secuencia tipo cartucho………………….. 41

Figura 28. Esquema de un controlador lógico programable……………………………... 43

Figura 29. Esquema de relé………………………………………………………………. 44

Figura 30. Esquema del circuito 1……………………………………………………...... 51

Figura 31. Esquema del circuito 2……………………………………………………...... 54

Figura 32. Esquema del circuito 3……………………………………………………....... 56

Figura 33. Esquema del circuito 4……………………………………………………….. 58

Figura 34. Esquema del circuito 5……………………………………………………....... 60

Figura 35. Esquema del circuito 6………………………………………………………... 62

Figura 36. Esquema del circuito 6.A……………………………………………………... 64

Figura 37. Esquema del circuito 6.B……………………………………………………... 65

Figura 38. Esquema del circuito 7………………………………………………………... 67



Figura 41. Esquema del circuito 10………………………………………………………. 72

Figura 42. Interruptores de las funciones de operación………………………………….. 76

Figura 43. Interruptores de las funciones de operación para circuitos rotativos…………. 77

Figura 44. Esquema del circuito 1.1…………………………………………………….... 78

Figura 45. Programa de PLC número uno……………………………………………….. 79

Figura 46. Circuito eléctrico de relé número uno……………………………………….. 80

Figura 47. Esquema del circuito 2.1…………………………………………………….... 82

Figura 48. Esquema del circuito 3.1…………………..………………………………….. 83

Figura 49. Programa de PLC número dos………………………………………………... 84

Figura 50. Circuito eléctrico de relé número dos………………………………………… 85

xiii

Figura 51. Esquema del circuito 3.2……………………………………………... ... 86

Figura 52. Circuito eléctrico de relé número tres…………………………………... 88

Figura 53. Programa de PLC número tres………………………………………….. 89

Figura 54. Esquema del circuito 3.3………………………………………………... 90

Figura 55. Programa de PLC número cuatro……………………………………….. 91

Figura 56. Circuito eléctrico de relé número cuatro………………………………... 92

Figura 57. Esquema del circuito 4.1…………………………………………............ 94

Figura 58. Esquema del circuito 4.2……………………………………………….... 95





Figura 63. Esquema del circuito 7.2……………………………………………........ 102

Figura 64. Programa de PLC número cinco……………………………………….... 103

Figura 65. Circuito eléctrico de relé número cinco………………………………..... 104



Figura 68. Esquema del circuito 8.3………………………………………………... 109

Figura 69. Esquema del circuito 9.1……………………………………………....... 110

Figura 70. Circuito eléctrico de relé número seis………………………………....... 111

Figura 71. Programa de PLC número seis…………………………………………... 112

Figura 72. Esquema del circuito 10.1……………………………………………….. 113

Figura 73. Circuito oleohidráulico primario………………………………………... 163

Figura 74. Opciones de control del circuito oleohidráulico primario.……………… 164

Figura 75. Circuito oleohidráulico primario, segunda propuesta………………….... 165

Figura 76. Circuito oleohidráulico primario, tercera propuesta.................................. 166

Figura 77-A Lista de precios de los componentes hidráulicos....................................... 168

Figura 77-B Lista de precios de los componentes hidráulicos....................................... 169

Figura 78. Lista de precios de los componentes estructurales.....................................169

Figura A.1 Hoja de selección de bomba y motor hidráulico........................................ 176

Figura A.2a Hoja de selección de válvula direccional manual...................................... 177

xiv

Figura A.2b Dimensiones de válvulas direccional manual.................................................. 178

Figura A.3a Hoja de selección de válvulas direccionales eléctricas................................. 179

Figura A.3b Hoja de selección de válvulas direccionales eléctricas................................. 180

Figura A.3c Dimensiones de válvulas direccionales eléctricas......................................... 181

Figura A.4a Hoja de selección de sub-bases para válvulas direccionales......................... 182

Figura A.4b Dimensiones de la sub-base para válvulas direccionales.............................. 183

Figura A.5a Dimensiones del cilindro............................................................................... 183

Figura A.5b Dimensiones de la rosca del vástago del cilindro......................................... 184

Figura A.5c Esquema del cilindro..................................................................................... 184

Figura A.5d Esquema de la rosca del vástago.................................................................. . 184

Figura A.5e Hoja de selección del cilindro........................................................................ 185

Figura A.6 Hoja de selección de válvulas direccional eléctricas 2 vías, 2 posiciones..... 186

Figura A.7 Hoja de selección de sub-base para válvulas de cartucho.............................. 187

Figura A.8a Hoja de selección de válvula accionada por leva........................................... 188

Figura A.8b Dimensiones de la válvula accionada por leva............................................. . 189

Figura A.9a Hoja de selección de válvula reguladora de caudal........................................ 190

Figura A.9b Dimensiones de válvula reguladora de caudal............................................... 191

Figura A.10a Hoja de selección de válvula reguladora de caudal presión compensada..... 192

Figura A.10b Dimensiones de válvula reguladora de caudal con presión compensada..... .. 193

Figura A.11 Hoja de selección de la válvula reguladora de caudal tipo cartucho............. 194

Figura A.12 Hoja de selección de la válvula reguladora de caudal tipo cartucho con

presión compensada....................................................................................... 195

Figura A.13a Hoja de selección de válvula reductora de presión........................................ 196

Figura A.13b Dimensiones de válvula reductora de presión................................................ 197

Figura A.14a Hoja de selección de válvula de contra balance............................................. 198

Figura A.14b Dimensiones de válvula de contra balance.................................................... 199

Figura A.15a Hoja de selección de válvula de secuencia.................................................... 200

Figura A.15b Dimensiones de válvula de secuencia........................................................... 201

xv

Figura A.16a Hoja de selección de sub-base para válvulas de control de presión tipo

corredera......................................................................................................... 202

Figura A.16b Dimensiones de sub-base para válvulas de control de presión...................... 203

Figura A.17 Hoja de selección de válvula reductora de presión tipo cartucho................. 204

Figura A.18 Hoja de selección de válvula de secuencia tipo cartucho............................... 205

Figura A.19 Hoja de selección de válvula de contra balance tipo cartucho...................... 206

Figura A.20 Hoja de selección de válvula de freno tipo cartucho..................................... 207

Figura A.21 Selección de adaptador macho-hembra (SAE-NPTF).................................... 208

Figura A.22 Adaptador macho-macho (NPTF).................................................................. 209

Figura A.23 Codo acoplador macho-macho (SAE-NPTF)............................................... 209

Figura A.24 Adaptador macho-hembra (SAE).................................................................. 210

Figura A.25 Adaptador macho-hembra (NPTF)................................................................. 210

Figura A.26 Acoplador rápido............................................................................................ 211

Figura A.27 Base del acoplador rápido............................................................................... 211

xvi

INDICE DE TABLAS

Tabla 1 Precio del banco con válvulas de cartucho ............................................................... 168

Tabla 2 Precio del banco con válvulas tipo correderas ........................................................... 168

Tabla 3 Precio de la estructura del banco .............................................................................. 168

Tabla 4 Lista de precios de los componentes hidráulicos ...................................................... 169

Tabla 5 Lista de precios de los conectores hidráulicos ........................................................... 169

Tabla 6 Lista de precios de los componentes estructurales ................................................... 169

xvii

GLOSARIO DE TÉRMINOS Área anular: Área con forma de anillo. Se refiere, frecuentemente al área efectiva en el lado del vástago de un cilindro, es decir: el área del pistón menos el área de la sección resta del vástago. Cámara: Compartimiento dentro de una unidad hidráulica. Carga: Energía referida a la unidad de peso. Carrera: Longitud de trabajo de un cilindro. Circuito: Trayectoria completa de un sistema, incluyendo el dispositivo generador de caudal. Contrapresión: Generalmente se refiere a la presión que existe en la línea de retorno a tanque. Control: Dispositivo utilizado para regular el funcionamiento de una unidad. Control manual: Control accionado por el operador con independencia del medio de accionamiento Control mecánico: Cualquier control accionado por engranajes, tornillos, levas y otros elementos mecánicos. Control eléctrico: Cualquier control accionado por medio de señales eléctricas. Corredera: Término aplicado a las piezas móviles con forma cilíndrica, que se mueva dentro de un elemento para dirigir el caudal. Descarga: Dirigir el caudal de una bomba, por lo general directamente al depósito para impedir que la presión quede aplica al sistema. Drenaje: Pasaje en un componente hidráulico o procedente de éste que hace volver independientemente el caudal de fugas al deposito.

xviii

Estrangulamiento: Restricción cuya longitud es pequeña, comparada a su sección transversal. Permite el paso de un caudal restringido. Puede controlar el caudal o crear una pérdida de presión determinada. Hidráulica: Ciencia que trata de las presiones y caudales de los líquidos. Hidrodinámica: Ciencia que trata de los líquidos en movimiento y particularmente de su energía cinética. Hidrostática: Ciencia que trata de la energía de los líquidos en reposo. Línea: Tubo, tubería o manguera flexible que actúa como conductor de fluido hidráulico. Niples: Término del idioma inglés que designa los tubos conectores y adaptadores. Obturador: Elemento de ciertas válvulas que impide el paso de caudal cuando queda ajustado. Placa base o sub-base: Montura auxiliar para un componente hidráulico que suministra un medio de conectar las tuberías al componente. Presión de abertura: Presión a la que una válvula, accionada por presión, permite el paso del fluido. Presión piloto: Presión auxiliar utilizada para accionar o controlar para accionar o controlar los componentes hidráulicos. Rosca NPTF: Rosca cónica americana. Rosca SAE: Rosca paralela americana. Secuencia: Orden de una serie de operaciones o movimientos. Ventear o venting: Poner a descargar un caudal de una bomba a través de su válvula de seguridad a presión reducida.

INTRODUCCIÓN

La Universidad Simón Bolívar tiene entre sus características académicas afianzar los

conocimientos dictados en las asignaturas que en ella se cursan con actividades prácticas en los

laboratorios, esto permite a los estudiantes entender y constatar de manera experimental los

conceptos teóricos. Materias como transferencia de calor, vibraciones, mecánica de máquinas,

ciencia de los materiales, conversión I, II III y IV, automatización neumática, mecánica de

fluidos (por nombrar algunas) cuentan con prácticas de laboratorios donde se pueden llevar a

cabo experiencias que permiten constatar los vínculos entre la teoría y la práctica, familiarizando

al estudiante con el mundo real de las maquinas.

En la actualidad la Universidad Simón Bolívar no cuenta con el equipo necesario que

permita realizar las prácticas para las materias que contengan tópicos relacionados con la

oleohidráulica. Partiendo de esta situación se propone desarrollar y conceptualizar un equipo

oleohidráulico, con fines didácticos que permita complementar la formación del estudiante con

prácticas relacionadas con aplicaciones de oleohidráulica.

El equipo o “banco” que se desea debe permitir la realización de las prácticas de

laboratorio de circuitos oleohidráulicos propuestas en este trabajo. Se Presenta el diseño de un

banco simulador de circuitos oleohidráulicos, el cual será robusto, transportable y ergonómico. El

diseño del mismo se realizó partiendo de estudiar modelos existentes con las modificaciones

necesarias para que cumpla con las funciones de enseñanza específicas de la Universidad Simón

Bolívar.

El banco estará en la capacidad de recrear los principios fundamentales de la

oleohidráulica por medio de la construcción y simulación de circuitos de potencia

oleohidráulicos. El banco simulador tendrá dos enfoques principales en la formulación de lo

2

laboratorios que se harán en él. En primer lugar están las prácticas demostrativas de los

fundamentos básicos de la oleohidráulica, las cuales tendrán como objetivo facilitar a los

estudiantes el entendimiento de los conceptos teóricos dictados en clases. El segundo enfoque de

las prácticas permitirá la simulación de circuitos con características similares a las que se

encuentran en la industria de la oleohidráulica. Estas características principalmente estarán

enfocadas en los sistemas de control empleados para operar los circuitos oleohidráulicos, y

adicional a las características de los sistemas de control también el banco permitirá, observar

algunos tipos de fallas simuladas que se producen en la industria producto del mal uso en la

operación del circuito.

Para realizar el diseño del banco simulador de circuitos oleohidráulicos el presente trabajo

ha sido dividido en nueve capítulos, que a continuación se especificarán.

Primer capitulo: Marco teórico, en él se explican los conceptos que se manejaran durante

todo el desarrollo del banco simulador de circuitos oleohidráulicos. Estos conceptos incluyen,

fundamentos básicos de la oleohidráulica, descripción de los elementos utilizados para la

construcción de los circuitos oleohidráulicos, conceptos del área de control (PLC y relés).

Segundo capítulo: Marco metodológico, en éste se plantea el tipo de investigación que se

realizó. También se presenta la metodología utilizada para el desarrollo del diseño del banco

simulador.

Tercer capítulo: Selección de circuitos, este capitulo se plantean los circuitos

oleohidráulicos seleccionados para ser montados en el banco. Cada uno de ellos aplica un

principio oleohidráulico o la combinación de varios de ellos. Estos circuitos se emplean para

realizar las prácticas demostrativas de los principios oleohidráulicos.

Cuarto capítulo: En este capítulo se diseñaron las prácticas de control eléctrico que se

aplicarán a los circuitos oleohidráulicos seleccionados en el capítulo tres con el fin de realizar la

automatización de estos.

3

Quinto capítulo: Cálculos de los circuitos oleohidráulicos. En esta parte del trabajo se

realizará los cálculos de diseño para los circuitos oleohidráulicos

Sexto capitulo: Selección de elementos oleohidráulicos para el montaje de los circuitos.

En este capitulo se procederá a la selección de los dispositivos mecánicos que el banco debe de

tener para que se puedan construir todos los circuitos oleohidráulicos. Estos componentes son,

válvulas, mangueras, conectores, actuadores, bomba, instrumentos de medición etc.

Séptimo capítulo: Selección de componentes de control. Este capítulo se selecciona los

instrumentos necesarios para la automatización de todos los circuitos oleohidráulicos que se

construyan en el banco.

Octavo capítulo: Planos del banco. En este capítulo se presentan los planos de la

estructura del banco propuesta. Los planos de los componentes hidráulicos seleccionados para el

banco los cuales muestran principalmente el ensamble (válvula, sub-base, acoples, etc.) que cada

uno de los componentes hidráulicos necesita para ser compatibles entre si, y permitir la

construcción de los circuitos oleohidráulicos seleccionados. También se muestra los planos que

indican las posiciones sugeridas a ocupar por los componentes hidráulicos en la estructura del

banco.

Noveno capítulo: En este capítulo se muestra el circuito oleohidráulico y el circuito

eléctrico propuesto para el sistema de generación potencia hidráulica del banco. Aquí se señalan

las distintas operaciones de funcionamiento que dicho circuito debe tener para que cumpla con

los requerimientos del banco.

Décimo capítulo: conclusión y recomendaciones. Este es el capitulo final, donde se

plantearan las conclusiones del trabajo así como recomendaciones para mejorar el banco

propuesto.

CAPÍTULO I MARCO TEÓRICO

1.1 Introducción

En este capítulo se exponen los conceptos teóricos que soportan el desarrollo del diseño

del banco simulador de circuitos oleohidráulicos. Estos han sido clasificados en tres grupos

principales.

En el primer grupo están los conceptos hidráulicos necesarios para entender los principios

básicos de los circuitos planteados en las prácticas de laboratorios que se realizarán en el banco

simulador de circuitos oleohidráulicos

En el segundo grupo se encuentran la definición, y análisis del funcionamiento de los

elementos mecánicos utilizados en la construcción de los circuitos oleohidráulicos.

Por último se tienen los conceptos de relacionados con los sistemas de control eléctrico

que se aplican a los circuitos oleohidráulicos de los circuitos.

1.2 Hidráulica

La hidráulica es la tecnología que se encarga de la transmisión de energía mediante el uso

de fluidos. Este término proviene del griego, hydra que significa fluido y aula que significa:

contenido en un recipiente cerrado. De la unión de ambos términos surgió el concepto de

hidráulica, que es un fluido contenido en un recipiente. (Vickers, 1981 p. 13)

Hay que hacer una distinción entre los sistemas que trasmiten energía utilizando el

impacto de un fluido contra una superficie (molinos, rueda hidráulica etc.) y los que transmiten la

energía a través de presión sobre un fluido contenido en un recipiente.

5

Un sistema hidráulico que utiliza el impacto o energía cinética del líquido para transmitir

energía se denomina sistema hidrodinámico. Los sistemas accionados por una fuerza aplicada a

un líquido contenido en un recipiente cerrado se denominan sistemas hidrostáticos. Los sistemas

hidrostáticos funcionan transmitiendo la energía en forma de presión. (Vickers, 1981 p. 33)

1.3 Fluido

Existen tres estados aceptados como básicos de la materia, estos son: solidó, líquido y

gaseoso. De estos estados existen dos que comparten una serie de características y propiedades,

estos son los gases y los líquidos los cuales tienen la propiedad de fluir. Ella es la que permite a

las sustancias adquirir la forma de los recipientes que las contengan, deslizarse entre superficies,

derramarse y todo esto de forma continúa.

La definición más precisa de fluido es: toda sustancia que se deforma continuamente

cuando se somete a un esfuerzo cortante, variando su deformación según la intensidad del

esfuerzo y las propiedades del fluido. (Potter, 1997 pp. 7-9)

1.4 Viscosidad

Es la propiedad del fluido mediante la cual él ofrece resistencia a los esfuerzos cortantes.

Mientras mayor sea la viscosidad será más difícil para el fluido desplazarse a altas velocidades,

mientras que cuando la viscosidad es menor sucede lo contrario. La ecuación que determina la

viscosidad viene dada por:

dydu

τµ = (1)

Donde µ es la viscosidad absoluta o viscosidad dinámica, τ representan los esfuerzos

cortantes y el término dydu es la tasa de deformación angular del fluido. La ecuación (1)

muestra la tasa de deformación angular del fluido, cuando un esfuerzo cortante es aplicado bre

él. Se observa que a mayor deformación angular para un τ específico se tendrá un fluido poco

viscoso, y viceversa. (Streeter et al, 2001 p. 8)

6

Existe otro tipo de viscosidad que es la cinemática indicada por la letra ν. La viscosidad

cinemática está relacionada con la viscosidad absoluta por la siguiente ecuación.

ρµν = (2)

Donde µ es la viscosidad absoluta y ρ es la densidad del fluido.

La viscosidad de un fluido juega un papel muy importante en la conservación de energía

de un circuito de potencia hidráulico. En un principio se pudiera pensar que es más útil usar un

fluido de baja viscosidad, ya que éste tendría una menor resistencia al movimiento, lo cual

ahorraría energía. Esto sería correcto si las piezas de los equipos no necesitaran de lubricación

para moverse, y es aquí donde el fluido de un sistema toma su segundo rol, ser lubricante. Si el

fluido empleado no tuviese la propiedad de lubricar, las fuerzas de roces producidas en las piezas

en contacto serian tan altas, que ocasionarían un mayor gasto de energía para moverlas, sin

mencionar que la vida útil de los equipos se vería disminuida drásticamente por efectos del

desgaste. Es por esta razón que los fluidos empleados para los circuitos de potencia hidráulica

tienen que tener una viscosidad que permita realizar la lubricación de los componentes pero a la

vez no debe ser tal que dificulte el movimiento del fluido. (Vickers, 1981 p. 49)

1.5 Densidad

La densidad es la cantidad de masa que contiene cualquier sustancia o elemento en

determinado volumen. Esta puede ser variable (fluidos gaseosos) o constante (fluidos líquidos).

La densidad del fluido puede variar dependiendo de la presión a la cual es sometido, o por

cambios de temperatura en éste. La ecuación que define esta propiedad es.

VmD = (3)

Donde V es el volumen y m es la masa del fluido.

7

Se observa analizando la ecuación (3) que los materiales que contienen mucha masa en

poco volumen tienen una densidad alta, mientas que aquellos que tienen poca masa en un gran

volumen tienen una densidad baja.

1.6 Principio de Pascal

Todos los fluidos cumplen con el principio de Pascal, él cual establece que: la presión

aplicada a un fluido confinado se transmite íntegramente en todas direcciones y ejerce fuerzas

iguales sobre áreas iguales, actuando estas fuerzas en dirección perpendicular a las superficies de

contactos del fluido. La expresión que describe el principio de pascal es. (Parker, 1995 p. 12)

AFP = (4)

Donde F es la fuerza que ejerce el fluido contra las áreas del recipiente que lo contiene y

A es el área dicho recipiente.

1.7 Teorema de Bernoulli

Para el modelo de Bernoulli los fluidos en movimiento presentan tres formas de energía, siendo

la suma de todas ellas la energía total de la que disponen. La primera es la cinética, la cual se

expresa en forma de velocidad del fluido, y depende de la densidad del fluido y del caudal de

éste. La segunda es la presión, que depende de que tanta fuerza actué sobre él. Por último esta la

energía potencial, siendo este termino dependiente de las variaciones de altura.

La energía total de un fluido es la suma de los tres términos antes mencionados y son los

que conforma la ecuación del teorema de Bernoulli.

ρρ2

22

21

21

1 22p

gV

zp

gV

z ++=++ (5)

8

Esta ecuación relaciona la distribución de energía entre el punto 1 y el punto 2. Donde 1z

es el nivel de altura del punto 1, 2z es el nivel de altura del punto 2, los cuales son despreciados

en la oleohidráulica debido a la baja densidad del aceite, siendo solo considerados cuando las

diferencias de alturas entre 1z y 2z superan los 100 metros de diferencia, o se está trabajando en

el lado de succión de la bomba . V1 es la velocidad del fluido en el punto 1, V2 es la velocidad del

fluido en el punto 2, g es la aceleración de la gravedad, 1p la presión del fluido en el punto 1, 2p

la presión del fluido en el punto 2, y ρ la densidad del fluido que se considera constante.

En la Figura uno se muestra como varía la distribución de la energía en un fluido que

atraviesa una tubería con cambio de sección. Al aplicar de la ecuación de bernoulli entre el punto

uno y dos se obtiene la forma en que el fluido varía la distribución de su energía, entre ambos

puntos. Se observa como la presión del fluido disminuye como consecuencia del aumento de

velocidad del fluido entre los puntos uno y dos. (Vickers, 1981 p. 38)

Figura 1. Tubería con cambio de sección

Fuente: Vickers, Manual de la oleohidráulica

1.8 Fluido de trabajo

Un fluido en un sistema puede tener dos funciones esenciales. Ser el elemento que se

utiliza en la elaboración de un producto o ser el elemento que transporta la potencia para realizar

un trabajo. El primer caso es cuando el líquido se necesita para un proceso y por ello es

necesario bombearlo desde un reservorio hasta otro punto en el sistema En el segundo caso el

9

fluido es el que hace posible que un trabajo o proceso se lleve a cabo. En ambos casos el fluido

utilizado recibe el nombre de fluido de trabajo.

El fluido de trabajo utilizado mayoritariamente en la oleohidráulica es el aceite. Esto es

debido a que el aceite cumple con varias de las premisas necesarias como fluido de trabajo en las

máquinas oleohidráulica. (Vickers, 1981 p. 13)

1.9 Presión

Se establece presión como la relación que existe entre la magnitud de una fuerza y el área

donde esta actúa. Solo la componente normal a la superficie produce la presión, en consecuencia

la presión siempre es perpendicular a la superficie. Ésta se puede expresar con respecto a

cualquier nivel de referencia arbitrario. Los niveles de referencia más usuales son el cero absoluto

y la presión atmosférica a la altura de mar, 101KPa. La presión se puede medir en varias

unidades, siendo las más usadas el Bar [daN/cm2], el Pascal, [N/m2] y milímetros de mercurio

[mmMg.] para el sistema métrico y Psi [lbf/in2] para las unidades inglesas. Su expresión más

común en hidráulica la da la ecuación (2). (Vickers, 1981 p. 13)

1.10 Caudal

Es la cantidad de volumen de fluido que pasa por un área transversal al movimiento de

éste, en un tiempo determinado. El caudal se puede medir comúnmente en m3/s, gal/min o L/min.

AVQ ⋅= (6)

Donde V es la velocidad del fluido, y A es el área transversal por donde circula el fluido.

La ecuación (6) permite hallar la variación de velocidad de un fluido confinado en una

tubería cuando ésta tiene un cambio de sección transversal. Considerando Q constante y

conociendo el cambio de área A. (Vickers, 1981 p. 37)

10

1.11 Potencia hidráulica

Es el valor que representa la energía que transporta el fluido por unidad de tiempo. Este

número expresa la posible cantidad de trabajo que se puede extraer del fluido. La potencia

hidráulica depende principalmente de tres términos, dos de ellos no son características propias del

fluido, sino propiedades que éste adquiere tras haber interactuado físicamente con otros

elementos. Estos son la presión y el caudal a la cual el fluido se desplaza. El tercer término

involucrado en el cálculo de potencia hidráulica es una característica propia del fluido y es su

densidad. La ecuación que define la potencia hidráulica es:

HQPhidraulica ⋅⋅= γ (7)

Donde g es la densidad del fluido, Q es el caudal del fluido y H la altura a la cual esta

siendo bombeado el fluido.

La ecuación (7) es usada en los sistemas que funcionan con bombas centrifugas. La

ecuación de potencia hidráulica empleada para los sistemas que funcionan con bombas de

desplazamiento positivo es la siguiente.

QPPhidraulica ⋅= (8)

Donde Q es el caudal del fluido bombeado y P es la presión a la cual se encuentra el

fluido. Para agilizar los cálculos y poder usar las unidades estándar en las que se miden el caudal,

presión y potencia, es necesario modificar la ecuación añadiendo un factor numérico.

1714PQPhidraulica

⋅= (9)

Donde Q es el caudal de fluido que entrega la bomba es introducido en la ecuación en

galones por minutos (gpm) y P es la presión a la cual se encuentra el fluido se introduce en la

ecuación en unidades de Psi (Lbf/in2). La potencia hidráulica es obtenida en caballos de fuerza

11

(Hp). La ecuación que permite obtener el valor de la potencia hidráulica en watts introduciendo

los términos Q en galones por minutos y P en Psi es la siguiente.

PQPhidraulica ⋅⋅= 3,2 (10)

1.12 Principio de palanca hidráulica

La palanca hidráulica (Fig.2) percibe el mismo objetivo que la palanca mecánica, producir

una fuerza mayor a la disponible para realizar un trabajo. Para producir la ganancia de fuerza la

palanca hidráulica utiliza un arreglo de pistones, con un fluido a presión. Este mecanismo se

apoya en el principio de Pascal y es el concepto fundamental de la prensa hidráulica.

Figura 2. Palanca hidráulica

Fuente: Vickers, Manual de la oleohidráulica.

En un lado de la línea se ejerce la fuerza disponible F1, que se divide entre el área del

pistón A1 y se obtiene la presión P a la cual estará toda la línea del fluido. Esta misma presión P

actúa en el área del segundo pistón A2 donde se tiene la carga F2 a vencer. Como el objetivo del

sistema es producir una fuerza mayor a la disponible, se utiliza un área A2 mayor que A1, con

12

esto la presión de la línea al ser multiplicada el área A2 producirá una fuerza F2 mayor que F1.

Las ecuaciones que describen la palanca hidráulica son. (Vickers, 1981 pp. 9-11)

PAF ⋅= 11 (14)

PAF ⋅= 22 (15)

De la igualdad de las dos ecuaciones de presión se obtiene la relación directa.

1

212 A

AFF ⋅= (16)

1.13 Conservación de la energía

El Principio de conservación de la energía indica que la energía no se crea ni se destruye;

sólo se transforma de unas formas en otras. En estas transformaciones, la energía total permanece

constante; es decir, la energía total es la misma antes y después de cada transformación.

Como todas las maquinas, los sistemas de potencia hidráulicos no pueden crear ni destruir

energía. Así que la ganancia de fuerza que dan éstos se produce a costa de la pérdida de

desplazamiento (Fig.3). La energía mecánica de entrada es la misma que la energía mecánica de

salida (despreciando las perdidas por la fricción), solo que se han redistribuido los valores que la

conforman (fuerza/desplazamiento o torque/rotación angular) para obtener más provecho de la

cantidad de energía que se dispone.

DFEmecanica ⋅= (17)

Donde F es la fuerza y D es el desplazamiento.

En el caso de la palanca hidráulica la energía mecánica que es suministrada en el pistón

con área A1, es la misma que se obtiene en el pistón con área A2. Puesto que las fuerzas no son

iguales, siendo F2 mayor que F1, el término desplazamiento se ve forzado a disminuir para

mantener el mismo valor de potencia de la entrada en la salida produciendo así una disminución

del desplazamiento de salida. (Vickers, 1981 p. 11)

13

Figura 3. Relación de desplazamientos y conservación de la energía

Fuente: Vickers, Manual de la oleohidráulica.

1.14 Número de Reynolds

El número de Reynolds es la relación entre las fuerzas inerciales y las fuerzas viscosas de

un fluido y es un termino adimensional. Este término surge para simplificar el cálculo de las

pérdidas de presión y es el parámetro que indica en que condiciones o régimen, está moviéndose

el fluido. El régimen puede ser laminar, turbulento o transitorio. El valor que adquiere el número

de Reynolds en un determinado sistema depende de varios elementos, tales como el diámetro de

la tubería, la velocidad a la que se desplaza el fluido y la viscosidad de éste. Mientras mayor sean

los dos primeros términos más errático será el perfil de desplazamiento del fluido. Mientras que a

mayor viscosidad se tiende a hacer que el fluido sea menos errático en su desplazamiento. La

ecuación usada para el cálculo del número de Reynolds es la siguiente.

νVD ⋅

=Re (18)

Donde D es el diámetro de la tubería, V la velocidad del fluido y ν la viscosidad

cinemática.

14

En el diseño de los circuitos oleohidráulicos existe un criterio para el número de Reynolds

que puede ser, 2000 o 2300. El primero se usa en los circuitos diseñados siguiendo el criterio

estado unidense. El segundo se usa en los circuitos diseñados siguiendo el criterio europeo.

(Joaquín santos, 2007)

1.15 Régimen laminar y turbulento

En régimen laminar (Fig.4) el movimiento de fluidos esta relacionado con números de

Reynolds bajos, que implica que las fuerzas viscosas vencen a las fuerzas inerciales. Se

caracterizan por presentar un movimiento en capas o laminas que se deslizan suavemente una

sobre la otra. Cualquier tendencia a la inestabilidad y turbulencia son atenuados por las fuerzas

cortantes viscosas. En régimen turbulento (Fig.5) el flujo presenta un movimiento errático,

observándose un fuerte intercambio de momentum transversal. En el régimen turbulento el

número de Reynolds es alto, lo que implica que las fuerzas cinemáticas dominan a las fuerzas

viscosas.

Figura 4. Régimen laminar

Fuente: Propia

Figura 5. Régimen turbulento.

Fuente: Propia

15

1.16 Caída de presión

El movimiento de un fluido a través de una tubería ocasiona que éste sufra perdidas de

potencia. Las perdidas de potencia se dan por perdidas de caudal o de presión. Las perdidas de

caudal mientras no excedan de cierto porcentaje del caudal de operación están asociadas a fugas

inherentes a la operación del circuito, y no se consideran para las pedidas de potencia del mismo.

En cambio las pérdidas de presión producto de la fricción entre la tubería y el fluido, si se

consideran para las perdidas de potencia del circuito.

Las perdidas de potencia hidráulica representan la cantidad de presión que el fluido pierde

desde que sale de un punto “A” hasta un punto “B”, éstas depende de la velocidad con la que

viaje el fluido, la viscosidad, rugosidad y diámetro de la tubería. La formula que se utiliza para

calcular las perdidas de presión es la ecuación de Darcy-Weisbach.

gV

DLHf

2

2

⋅⋅= λ (19)

Donde λ es el factor de presión de Darcy, L la longitud de la tubería, D el diámetro de la

tubería, V la velocidad del fluido y g la gravedad.

La ecuación 19 es modificada, por razones de simplificación de cálculos, obteniéndose así

la ecuaciones 20. Esta nueva ecuación permite introducir los valores de cada elemento en sus

unidades de uso común.

0123,025 ⋅⋅⋅=∆ Q

dLfP (20)

ReXf = (21)

Donde p∆ (Psi) representan las perdidas de presión, L (pies) es la longitud de la tubería, d

(pulgadas) el diámetro de la tubería, Q (gpm) el caudal del fluido y f es el factor de fricción del

número de Reynolds que es calculado con la ecuación 21.

16

En la ecuación 21 el termino X puede tomar tres valores distintos: 64 para el caso de tubo

rígido y temperatura constante, 75 para el caso donde solo se cumpla una condición y 90 para

tubería flexible y temperatura variable.

La ecuación que permite obtener el valor de perdida de presión en Pascales utilizando los

las unidades de medición común para los elementos de la ecuación es.

8,8425 ⋅⋅⋅=∆ Q

dLfP (22)

Donde p∆ (Psi) representan las perdidas de presión, L (pies) es la longitud de la tubería, d

(pulgadas) el diámetro de la tubería, Q (gpm) el caudal del fluido. (Joaquín Santos 2007)

1.17 Pérdidas de potencia transformadas en calor

El calentamiento de los circuitos oleohidráulicos es un efecto no deseado que se da

principalmente por dos factores. El primero de estos es el calentamiento que se transmite al fluido

de trabajo por el funcionamiento de elementos que se calienten, tales como las bombas, los

cilindros y motores hidráulicos. La segunda fuente de calentamiento de un circuito viene dada por

las perdidas de potencia que se dan en los ductos producto de la fricción entre el fluido y la

tubería o las válvulas. La ecuación que permite calcular la cantidad de energía que se transforma

en calor en un circuito oleohidráulico es. (Joaquín Santos 2007)

1714QPPotcalor

⋅∆= (23)

Donde calorPot es el calor producido, p∆ es la perdida de presión y Q es el caudal del

fluido. La ecuación 23 está planteada de modo que los valores de p∆ y Q sean introducidos en

las unidades de medición comúnmente usadas. p∆ en Psi y Q en galones por minuto, obteniendo

la calorPot en caballos de fuerza (Hp).

17

La ecuación que permite usar los valores de p∆ en Psi y Q en galones por minuto, que

arroja calorPot en watts es.

QPPotcalor ⋅∆⋅= 3,2 (24)

Donde calorPot es el calor producido, p∆ es la perdida de presión y Q es el caudal.

1.18 Simbología

Para representar los esquemas de los circuitos oleohidráulicas se emplea los símbolos que

cumplen con la norma ISO-CETOP. En la Figura seis, se especifica la simbología para los

dispositivos hidráulicos del banco.

Figura 6. Simbología ISO-CETOP

Fuente: Propia

18

1.19 Bombas hidráulicas de desplazamiento positivo

Estos componentes de los circuitos y sistemas hidrodinámicos transforma la potencia

mecánica que suministra la fuente primaria de energía, que puede ser un motor eléctrico, o de

combustión interna, en potencia hidráulica. Las bombas de desplazamiento positivo funcionan

con cámaras, que son llenadas por el fluido de trabajo. Dichas cámaras son barridas en cada

revolución haciendo que el fluido salga expulsado por el puerto de salida con dirección hacia el

circuito. Las revoluciones a las que normalmente trabajan son de; 1200rpm, 1800rpm y 3600rpm,

cuando éstas son activadas por un motor eléctrico sincrónico. Es importante señalar que las

bombas de desplazamiento positivo no son las que determinan la presión a la que el fluido se

encuentra. La presión es producida por las restricciones que el fluido se consigue a lo largo de las

tuberías en el circuito y por el trabajo que el fluido debe realizar. Estos dos factores son los que

definen la presión a la cual el fluido va a estar en el circuito.

Estas bombas pueden ser de caudal fijo, o caudal variable. Las primeras son bombas que

entregaran aproximadamente un caudal constante sin importar la presión a la que el fluido se

encuentre. Las bombas de caudal variable están diseñadas para que la cantidad de caudal que

entreguen varíe de acuerdo a un mecanismo de regulación generalmente relacionado con la

presión final de trabajo.

Existen varios tipos de bombas de desplazamiento positivo, las de pistón, engranajes y

paletas. Estas bombas si bien funcionan con el mismo principio, cada una posee características

únicas que son las que determinan en que clase de trabajos se puede utilizar un modelo u otro. La

diferencia fundamental de éstas se encuentra asociada con el mecanismo interno que impulsa el

fluido desde la bomba hacia el circuito.

Para el desarrollo de este trabajo, la bomba de engranajes externos se ajusta a los

requerimientos de economía, durabilidad y flexibilidad, necesarias para una aplicación como la

propuesta.

La bomba de engranajes externos (Fig.7) está formada por una carcasa o cuerpo, que tiene

dos puertos, uno de entrada y otro de salida, en los engranajes de dientes externos, uno de ellos es

19

el conductor (el que recibe la potencia) y el otro es el engranaje guiado. La bomba suministra el

caudal, transportando el fluido entre los dientes de los engranajes. Uno de los engranajes es

accionado por el eje de la bomba y hace girar al otro en dirección opuesta, creando un vacío

parcial en la cámara de entrada de la bomba. El fluido se introduce en el espacio vacío y es

transportado, por la parte exterior de los engranajes a la cámara de salida. Cuando los dientes

vuelven a entrar en contacto los unos con los otros, el fluido es impulsado hacia fuera. (Vickers,

1981 p. 16)

Figura 7. Bomba de engranajes

Fuente: Vickers, Manual de la oleohidráulica industrial.

1.20 Válvulas

Estos dispositivos mecánicos están formados por una pieza interna móvil y una exterior

que es la cubierta que contiene a la primera, que recibe el nombre de cuerpo de válvula. La pieza

móvil o conmutador, es la encargada de conectar o desconectar los puertos de la válvulas, según

se le indique por medio de un conjunto de accionamientos. Una válvula tiene tres funciones

dependiendo de su tipo, éstas pueden ser; controlar la presión, controlar la dirección del fluido y

regular el caudal. (Parker, 1995 pp. 33-34)

20

1.21 Válvula de control de presión

Es la válvula encargada de controlar el nivel de la presión del fluido dentro del sistema o

en una parte de él. La conforma la cubierta y un conmutador que opera mediante la aplicación de

una presión. Cuando la presión del sistema alcanza cierto valor el conmutador conecta o

desconecta los conductos dentro del cuerpo de la válvula y modifica la trayectoria del fluido ya

sea impidiendo que el flujo pase a través de ella o por el contrario, permitiendo que pase.

Este tipo de válvula puede ser activada de dos maneras, de forma remota (Fig.8) o de

forma directa (Fig.9). La primera es mediante una tubería piloto que esta conectada a una tubería

que no pasa a través de los puertos principales de la válvula. Este piloto cambia la posición del

conmutador de la válvula mediante una presión que proviene de otra parte del circuito y que no es

la presión que esta pasando por los puertos principales de ella.

Figura 8. Válvula de secuencia activa por piloto remoto Fuente: Vickers, Manual de la oleohidráulica industrial

21

Figura 9. Válvula de alivio activada de forma directa

Fuente: Vickers, Manual de la oleohidráulica industrial

La otra opción es la activación directa y funciona de manera similar, solo que ahora la

presión que se necesita para activar el conmutador de la válvula proviene directamente de la línea

de fluido que atraviesa los puertos principales de la válvula.

Las válvula de control de presión pueden tener dreno externo o dreno interno. El primero

se usa en aquellas válvulas donde su puerto secundario esta conectado con un actuador o a una

línea de presión alta. El dreno interno es usado en aquellas válvulas que su puerto secundario esta

conectado directo a tanque.

Otra variación que presenta este tipo de válvulas es su configuración, ya que puede ser

simple (Fig.8 y 9) o compuesta (Fig.10) o Las válvulas compuestas tienen dos conmutadores.

Uno de ellos es el encargado de bloquear el puerto principal, mientras que el segundo es el

22

encargado de bloquear la señal piloto. El conmutador que recibe la señal piloto presenta mayor

resistencia que el conmutador que bloquea el puerto principal.

Esta configuración permite que la válvula mejore su precisión a la hora de ser activada.

Esto debido a que el conmutador que maneja el caudal principal solo se abre cuando la presión

deseada de apertura ha sido alcanza por la señal piloto y ésta última ha vencido la resistencia del

conmutador piloto.

Figura 10. Válvula compuesta activada directamente


En las válvulas de configuración simple, el mismo conmutador que bloquea los puertos

principales es el que recibe la señal piloto. En este caso, si se produce una pérdida de precisión

en el funcionamiento de la válvula puesto que el conmutador que bloquea los puertos principales

empieza a desplazarse antes de llegar a la presión exacta de abertura plena.

La ventaja que ofrece las válvulas compuestas sobre las simples, es que las primeras son

más precisas a la hora de activarse y manejan mayores rangos de caudal.

23

Entre la familia de las válvulas de control de presión destacan las siguientes: válvula de

seguridad, de alivio, válvula de contra balance, válvula de secuencia y válvula reductora de

presión. Todas estas pueden ser compuestas o simples y ser activadas de forma directa o remota.

(Parker, 1995 pp. 33-34)

1.22 Válvula de alivio

Esta válvula (Fig.9) es conectada según su instalación en el circuito con el puerto de

entrada conectado a la línea de presión del sistema y el puerto de salida a una línea que va a

tanque. El objetivo de la válvula es fijar el punto máximo de presión que el circuito por razones

de seguridad tiene permitido alcanzar. La presión de plena abertura de la válvula debe ser fijada

en un valor que no sea superior a lo que pueda resistir cualquier otro componente del circuito. La

válvula opera normalmente en condición cerrada. (Vickers, 1981 p. 165)

1.23 Válvula de contra-balance

La válvula de contra-balance (Fig.11) es usada cuando se tiene que soportar alguna carga

en condición estática y contrarrestar el peso de la carga. La válvula de contra-balance es muy

similar a la de alivio, en su construcción. Es normalmente cerrada y solo permite el flujo a través

de ella una vez que se haya alcanzado una presión determinada. Para esta válvula la presión

mínima de regulación debe ser aquella que multiplicada por el área del cilindro permita equilibrar

el peso de la carga. La instalación de ella se realiza después del actuador y antes de la válvula

direccional. Estas válvulas pueden ser operadas por piloto remoto o directo, y poseen dreno

interno. (Vickers, 1981 p. 171)

1.24 Válvula de secuencia

La válvula de secuencia (Fig.12) tiene como función controlar en forma hidráulica el

orden de secuencia en que un circuito activa sus actuadores. Ello permite que el actuador que

requiere menos presión para operar sea activado primero que el actuador que requiere más

presión para funcionar. La válvula también es similar a la válvula de alivio, ya que es

normalmente cerrada y cambia a abierta cuando el nivel de presión alcanza el valor para el cual

esta configurada su punto de regulación. Esta válvula puede ser operada por piloto remoto o

directo y posee un dreno externo. (Vickers, 1981 p. 171)

24

Figura 11. Válvula de contra-balance


Figura 12. Válvula de secuencia


25

1.25 Válvula reductora de presión

La válvula reductora de presión (Fig.13) se usa cuando no se desea que la presión en una

parte de la línea alcance niveles innecesarios para el trabajo que esta realizando. Ésta permite que

un actuador mantenga solo la cantidad de presión que necesita, mientras el resto de la del sistema

mantiene una presión superior. Esta válvula puede ser operada por piloto externo o por piloto

directo. El dreno de esta válvula es externo y es normalmente abierta. (Parker, 1995 p. 207)

1.26 Válvulas direccionales

Estas válvulas consisten de un cuerpo con una serie de conductos internos y un

conmutador que conecta las entradas y las salidas de la válvula. El conmutador tiene una forma

que asemeja a un grupo de varios émbolos que crean los pasos por donde el fluido se conecta

entre los puertos de la válvula. La función de la válvula es controlar la dirección del fluido en el

circuito oleohidráulico. Ello se logra cambiando la posición del conmutador dentro de la válvula

lo cual hace que la configuración de puertos conectados cambie.

Figura 13. Válvula reductora de presión


La forma en que se activa el conmutador para que cambien de posición puede ser por,

manual por palanca (Fig.14), solenoides (Fig.15) o vía piloto de presión (hidráulico o neumático).

26

Entre otras características de estas válvulas es la forma en que el conmutador regresa a su

posición central o inicial, esta acción se conoce como reposicionamiento.

Figura 14. Válvula direccional cuatro vías tres posiciones

accionada por palanca


La manera en que se clasifican y nombran las válvulas direccionalas depende de su tipo de

accionamiento, reposicionamiento, del número de posiciones que puede ocupar el conmutador

dentro de ellas y del número de puertos que contengan

Una posición importante del conmutador es la que ocupa cuando la válvula no ha sido

activada, ya que determina las conexiones de los puertos que realiza la válvula cuando esta no

ha recibido una señal de accionamiento o el circuito se encuentra desenergizado. (Parker, 1995

pp. 39-60)

27

Figura 15. Válvula direccional cuatro vías tres posiciones

accionada por solenoides


1.27 Válvulas reguladoras de caudal

Es una válvula que funciona como una restricción a la libre circulación del flujo en la

tubería. La restricción a la circulación tiene como objetivo reducir el caudal de éste por la línea

donde la válvula se encuentra instalada.

La reducción del caudal se produce debido al aumento de la resistencia a vencer por la

bomba en la línea de presión, haciendo que parte del fluido sea forzado a buscar trayectorias

alternas que ofrezca menor resistencia. Normalmente esta trayectoria alterna se produce por

medio de la apertura de la válvula de alivio, produciendo así un desvío del caudal por ésta.

Hay diferentes modelos de válvulas reguladoras de caudal, existen las tipo orificio, de

compuertas, tipo globo y obturador con punta de aguja. En la oleohidráulica el modelo más

utilizado es la válvula tipo aguja, que permite una mayor presión en el control de caudal.

28

Las válvulas reguladoras de caudal son capaces de proporcionar distintos niveles de

restricción, haciendo que sea posible tener una reducción de caudal acorde con los requerimientos

puntuales del equipo. El término auto-compensadas se refiere a las válvulas que puede mantener

una regulación de caudal fija sin importar que cambien la presión de trabajo, presión de

funcionamiento o cambios de temperatura. Si por el contrario la válvula reguladora de caudal no

es de presión compensada, ella no será capaz de mantener una regulación de caudal si cambian

los factores ya mencionados.

La válvula tipo aguja (Fig.16) es de gran aplicación en oleohidráulica. Es un dispositivo

que tiene un orificio por donde circula el fluido y un obturador con punta de aguja que obstruye

el área de flujo.

Figura 16. Válvula reguladora de caudal no compensada tipo aguja.


La válvula reguladora de caudal de presión compensada (Fig.17) utiliza el mismo

principio que la válvula de aguja no compensada para producir la regulación de caudal. Para

lograr que ésta tenga la característica de presión compensada se le añada un dispositivo, el cual

hace que la diferencia de presión entre el puerto de salida y el puerto de entrada de la válvula se

29

mantenga constante sin importar el valor de la carga o presión que se este produciendo en ese

momento. (Parker, 1995 pp. 77-90)

Figura 17. Válvula reguladora de caudal de presión compensada


1.28 Válvulas antirretorno

Esta válvula tiene entre su característica la capacidad de funcionar como, válvula

reguladora de presión, caudal y de dirección del fluido. Normalmente se utilizan cuando se desea

que el fluido no pase por un elemento en una dirección mientras que en la otra dirección sí. Esta

función se ve normalmente en válvulas secuenciales, contra-balance, reductoras de presión,

reguladoras de caudal etc. En ellas es necesario que tengan una válvula antirretorno para permitir

el paso libre del fluido en una dirección mientras que en la otra garantiza que el fluido pase por la

válvula.

30

La válvula antirretorno (Fig.18) esta hecha de un cuerpo con un puerto de entrada y uno

de salida. Un tapón móvil que se desliza dentro del cuerpo con dos posiciones principales. Una

posición que le permite bloquear la entrada del fluido, y la otra posición en la que permite el paso

de éste. La parte móvil puede ser un disco, émbolo o un balín (tapón). Comúnmente este tipo de

válvulas tienen un resorte que presiona la parte móvil contra el puerto de entrada.

Cuando el fluido viene en la dirección de paso, él tiene que vencer la resistencia que

puede producir el tapón. En sentido contrario la misma presión del fluido presionaría el tapón

contra las paredes del cuerpo de la válvula, evitando así que el fluido pase por ella. (Vickers,

1981 p. 125)

Figura 18. Válvula antirretorno


1.29 Válvulas desaceleradoras

Estas válvulas (Fig.19) son utilizadas cuando es necesario desacelerar un cilindro en

cualquier punto de su carrera. La mayoría de estas válvulas son accionadas por leva y se usan

para disminuir gradualmente el caudal que va o viene de un actuador para modificar su velocidad.

Esta válvula normalmente abierta, permite que el caudal de la bomba pase libremente hacia el

31

tanque, haciendo que el cilindro se mueva a una velocidad no regulada. Cuando la leva activa el

rodillo, éste conmuta la válvula desaceleradora a su posición cerrada, esta acción hace que el

caudal de la bomba pase por una válvula reguladora de caudal, de este modo el caudal que recibe

el cilindro es disminuido y su velocidad controlada. Estás válvulas pueden tener una válvula anti-

retorno incorporada para permitir la circulación del caudal libremente en sentido contrario.

(Vickers, 1981 pp. 148-149)

Figura 19. Válvula desaceleradora


32

1.30 Actuadores

Son los componentes encargados de convertir la energía hidráulica del fluido en trabajo

mecánico. Estos se encuentran al final del circuito y pueden ser de dos tipos, lineal o rotativo.

1.31 Actuadores lineales (cilindros) de doble efecto.

El actuador lineal (Fig.20) consiste en un cuerpo cilíndrico cerrado en los extremos, un

pistón móvil y un vástago acoplado a éste. El cuerpo del cilindro es dividido en dos por el pistón,

el cual es capaz de deslizarse por todo el cuerpo del actuador.

En los cilindros de doble efecto es necesario que el cilindro tenga dos puertos, por uno el

fluido entra y el otro para que salga. Ambos puertos pueden funcionar como orificio de entrada o

salida del fluido, para permitir que el vástago pueda extraerse o retraerse. El puerto que esta del

lado del vástago recibe el nombre de “puerto cabeza” y el otro puerto recibe el nombre de “puerto

tapa”.

La fuerza con la que actúa el cilindro depende del área del pistón así como de la presión

de trabajo del circuito. Mientras que su velocidad es controlada por el caudal entregado por la

bomba. La ecuación usada para calcular la velocidad del cilindro en la carrera de extensión es:

PBCE AQV /= (25)

Donde VCE es la velocidad de extensión del cilindro, QB es el caudal entregado por la

bomba y AP es el área transversal del pistón. La ecuación usada para calcular la fuerza que puede

ejercer un cilindro en la carrera de extensión es:

BPCE PAF ⋅= (26)

Donde FCE es la fuerza que ejerce el cilindro en su carrera de extensión, AP es el área

transversal del pistón y PB es la presión de trabajo del circuito. Por razones geométricas un

cilindro no es capaz de proporcionar la misma fuerza, ni velocidad en su carrera de extensión

33

como en su carrera de retorno. Esto es debido a que mientras la cara del pistón dando hacia la

tapa del cilindro cuenta con toda el área circular para que la presión actué. En el lado de la cabeza

del pistón esta área circular es menor, ya que el vástago le resta superficie al área efectiva del

pistón. La ecuación usada para determinar la velocidad del cilindro en su carrera de retorno es:

)/( VpBCR AAQV −= (27)

Donde VCR es la velocidad de retorno del cilindro, QB es el caudal entregado por la bomba,

AP es el área del pistón y AV es el área del vástago. La ecuación usada para calcular la fuerza que

puede ejercer un cilindro en la carrera de retorno es:

BVPCR PAAF ⋅−= )( (28)

Donde FCR es la fuerza que ejerce el cilindro en su carrera de retorno, AP es el área

transversal del pistón, AV es el área del vástago y PB es la presión de trabajo del circuito.

(Vickers, 1981 pp. 97-102)

Figura 20. Actuador lineal, doble efecto


34

1.32 Actuadores rotativos.

Son los elementos (Fig.21) encargados de convertir la potencia hidráulica en potencia

mecánica rotativa. Son utilizados para producir tareas donde se necesite de un torque para mover

una carga. Los actuadores rotativos cuentan con una geometría similar a las bombas, siendo su

diferencia principal que las bombas reciben potencia mecánica y la convierten en potencia

hidráulica y los motores reciben potencia hidráulica y la convierten en potencia mecánica.

Existen además detalles de construcción y robustez que los diferencia debido a que los motores

hidráulicos deben realizar tareas más arduas que las bombas.

Los motores hidráulicos son maquinas de desplazamiento positivo. Estos funcionan en

base a un desbalance de presión que produce la rotación del eje. El desbalance es producido por

la diferencia de presión que existe ente los puertos de entrada y salida.

Figura 21. Actuador rotativo


35

Como los cilindros los motores hidráulicos también pueden funcionar en ambas

direcciones, y estos últimos tienen la ventaja que funcionan con las mismas características en

ambos sentidos. La ecuación usada para calcular la velocidad de giro de un motor hidráulico es la

siguiente.

Motor

BGM V

QV = (29)

Donde VGM es la velocidad de giro del motor, QB es el caudal entregado por la bomba y

VMotor es el volumen interno del motor hidráulico.

La ecuación usada para calcular el torque que produce el motor hidráulico es la siguiente:

motorBM VPT ⋅= (30)

Donde TM es el torque producido en el motor, PB es la presión de trabajo del circuito y

VMotor es el volumen interno del motor hidráulico. (Vickers, 1981 pp. 102-108)

1.33 Válvulas de cartucho.

El progreso en el desarrollo de los sistemas hidráulicos conduce a una mayor utilización

de los bloques modulares. Estos bloques reducen el número de uniones en las líneas de

interconexión entre los componentes del sistema lo que elimina muchos puntos potenciales de

fuga y reduce la perdida de fluido. Una válvula de cartucho se inserta dentro de una cavidad

normalizada en un bloque y se mantiene en su lugar con tornillos roscados o con una tapa

aseguradora con pernos para completar el diseño con válvulas de cartucho.

Existen dos tipos de válvulas de cartucho: válvula de cartucho para insertar y válvula de

cartucho para roscar. La mayoría de las primeras son elementos tipo obturador que son

controladas normalmente por una válvula piloto. Las válvulas tipo rosca pueden ser elementos

tipo obturador o corredera

36

Las válvulas de cartucho ofrecen un diseño alternativo más que una sustitución de las

válvulas convencionales de corredera deslizante. (Vickers, 1981 p. 328)

1.34 Funcionamiento de las válvulas de cartucho para insertar y para roscar.

Las válvulas de cartucho realizan las mismas funciones de las válvulas tipo corredera pero

utilizan el enfoque de las válvulas anti-retorno, las cuales pueden realizar funciones de control de

caudal, presión y dirección del fluido.

Las válvulas de cartucho para insertar y las válvulas de cartucho para roscar funcionan de

manera similar, utilizan una relación de áreas entre sus puertos junto a otros dispositivos para

realizar sus operaciones. La mayor diferencia entre éstas está en que las válvulas de cartucho para

insertar utilizan obturadores para conectar los puertos y las segundas utilizan una combinación

entre obturadores y correderas. La segunda diferencia está en que las válvulas de cartucho para

insertar, normalmente necesitan de una válvula piloto para realizar completamente las funciones

hidráulicas mientras que las válvulas de cartucho para roscar pueden realizar las funciones

hidráulicas sin la necesidad de una válvula piloto.

Las válvulas de cartucho son similares a las válvulas anti-retorno con obturador y están

conformadas por un conjunto deslizante que se inserta en una cavidad mecanizada dentro de un

bloque. Una placa de control atornillada sobre este bloque asegura el inserto dentro de la cavidad.

En la Figura 22, se muestran las partes principales de un inserto de válvula tipo cartucho formado

por; una camisa un obturador, un muelle y juntas.

El funcionamiento de las válvulas de cartucho se basa en una relación de tres áreas “AA”,

“AB” y “AAP”, que determinan la abertura o cierre de del obturador en la camisa. “AA” es el área

efectiva del obturador expuesta al puerto “A”. “AB”, la expuesta al puerto “B”, y “AAP” la

expuesta a la cámara del resorte, que siempre es igual a la suma de las áreas “AA” y “AB”.

37

Figura 22. Construcción de válvula de cartucho para insertar.

Fuente: Vickers

La relación de áreas (Fig. 23) de un inserto se determina por la razón entre “AA” y “AAP”.

Hay disponibles tres relaciones [1]

• 1:1, cuando “AAP” = “AA”

• 1:1.1 cuando “AAP” = 1.1“AA”

• 1:2 cuando “AAP” = 2“AA”

La apertura o cierre de una válvula de cartucho está determinado por su relación de áreas,

las presiones que incidan sobre éstas a través de los puertos “A” y “B”, de la resistencia del

resorte (muelle) y de la configuración de los puertos pilotos que ésta use.

38

Figura 23. Relación de áreas de una válvula tipo cartucho


Una característica importante de las válvulas de cartucho para roscar es la configuración

de vías o puertos que puede tener. La configuración de los puertos de estas válvulas esta

determinada por otra pieza llamada cavidades. Esta pieza es la que forma los puertos de entrada,

salida, y pilotaje de las válvulas de cartucho para roscar. La Figura 24 muestra los modelos de

cuatro cavidades para válvulas de cartucho tipo rosca, con las siguientes configuraciones de

puertos: 2 vías. 3 vías, 4 vías y 3 vías en “corto”. El término “corto” se utiliza en esta

nomenclatura para referirse a que una de las vías es usada como puerto para una señal remota.

(Vickers, 1981 pp. 328-331)

39

Figura 24. Cavidades para una válvula de cartucho para roscar


1.35 Válvulas reguladoras tipo cartucho

La Figura 25 muestra una válvula cartucho tipo rosca de control de caudal tipo

estrangulamiento variable denominada válvula aguja. Esta válvula utiliza una corredera finalizada

en una punta cónica para suministrar un control preciso del caudal. No existe compensación por

presión en esta válvula.

La Figura 26 muestra otro tipo de válvula reguladora de caudal del tipo estrangulamiento

variable compensada por presión. La compensación por presión funciona desde el orificio de

entrada al de salida. Esta válvula está formada por dos válvulas tipo cartucho para roscar, ambas

enroscadas en el mismo cuerpo. Una realiza la función de producir el estrangulamiento y la otra

es la encargada de mantener la diferencia de presión entre la entrada y la salida de la válvula que

produce el estrangulamiento.

40

Figura 25. Válvula de cartucho para roscar tipo aguja


Figura 26. Válvula reguladora de caudal compensada


41

1.36 Válvulas de cartucho para roscar como controladores de presión.

Estas válvulas realizan las funciones hidráulicas de control de presión de la misma manera

que las válvulas tradicionales tipo corredera. Es decir, cuando los valores de presión de la línea

alcanzan el valor al cual la válvula de cartucho está graduada ésta se acciona. Las mimas

funciones de las válvulas de de control de presión tradicionales se encuentran en las válvulas de

cartucho. Estas funciones son: reducción de presión, contrabalance, secuencia, seguridad y freno.

En la Figura 27 se muestra algunas de las válvulas de cartucho para roscar de presión. La

válvula reductora de presión de cartucho para roscar, cuyo modelo mostrado en la Figura 27

permite el paso libre del caudal en una dirección sin necesidad de una válvula anti-retorno

adicional. En esta misma figura también se observa una válvula de secuencia de cartucho para

roscar. [31]

Figura 27. Válvula Reductora de presión y de secuencia tipo cartucho


42

1.37 Distribuidor o manifold.

Este es un dispositivo utilizado ampliamente en la oleohidráulica. Su función es la de

distribuir el caudal entregado por la bomba en varios puertos, los cuales luego serán conectados a

las válvulas de manera individual, ello se realiza por medio de los puertos de presión los cuales

están conectados a la salida de la bomba por medio de una manguera o tubería.

El distribuidor también cuenta con puertos de dreno y de retorno, se emplean para

conectar las mangueras o tuberías que conducen el caudal de retorno proveniente de un actuador

o para conectar los drenos de las válvulas. Los puertos de dreno y tanque del distribuidor se

encuentra a presión atmosférica.

1.38 Manómetros y caudalímetro

Estos son dispositivos de medición empleados en los circuitos oleohidráulicos. El objetivo

de ambos es el de medir los valores de presión y caudal del fluido, con el objetivo de verificar el

correcto funcionamiento del sistema en los rangos esperados.

El manómetro es un dispositivo que mide la intensidad de la fuerza aplicada por un fluido

sobre una superficie, y la puede medir en forma absoluta o manométrica, según sea el caso. Por

su parte el caudalímetro se encarga de medir el volumen de fluido que circula por determinada

línea del sistema.

1.39 Controlador lógico programable (PLC).

Este es el elemento que permite el de control de circuitos oleohidráulicos. Este sistema ha

de funcionar combinado con otros elementos tales como: Botonera, solenoides, cables, contactos

normalmente abiertos y normalmente cerrados.

Los controladores lógicos programables (Fig.28) son dispositivos de estado sólido que

tienen la capacidad de almacenar instrucciones para implementar funciones de control tales

como: control de eventos, secuenciales, control de temporizado, funciones de contador,

aritméticas, manipulación de datos etc.

43

Figura 28. Esquema de un controlador lógico programable.


El controlador lógico programable (PLC) se divide en las siguientes partes:

Unidad central de procesamiento (CPU): Este es donde se “realizar las operaciones

matemáticas, manejo de datos, rutinas de diagnostico del sistema, ejecutar el programa

cíclicamente, coordinar las tareas de comunicación con los dispositivos periféricos, interpretar y

ejecutar las rutinas del sistema

Fuente de alimentación: Alimenta de voltaje DC los componentes del controlador y

también se encarga de regular y monitorear los voltajes de alimentación para alertar al CPU de

alguna falla existente.

Memoria Ejecutiva: Esta memoria maneja los programas del sistema, periféricos,

comunicación, funciones especiales.

Memoria de aplicación: Aquí se maneja la tabla de entradas, la tabla de salida de los

registros internos y los programas de aplicación.

44

Modulo de entrada y salida: “A través de los módulos de entrada y salida, el PLC obtiene

información, sobre el estado o valores del proceso o envía al proceso las acciones de comando

que son generadas al ejecutar las rutinas de control programadas en su memoria. (Omar Pérez,

2007)

1.40 Relé

Es un dispositivo electromecánico (Fig.29), que funciona como un interruptor controlado

por un circuito eléctrico en el cual por medio de un electroimán, se acciona un juego de uno o

varios contactos que permiten abrir o cerrar otros circuitos eléctricos independientes. Los relés

tienen dos tipos de contactos, normalmente abierto y normalmente cerrados. Los contactos

normalmente abiertos conectan el circuito cuando el relé es activado; el circuito se desconecta

cuando el relé está inactivo

Los contactos normalmente cerrados desconectan el circuito cuando el relé es activado; el

circuito se conecta cuando el relé está inactivo (Omar Pérez, 2007)

Figura 29. Esquema de relé


45

1.41 Circuitos eléctricos de relés

Esta opción de control para aplicar las secuencias de los circuitos. Esta es una tecnología

que precedió a la tecnología del PLC, y permite hacer las misma aplicaciones pero con otro

enfoque.

Los circuitos eléctricos de relés están constituidos por: Relés, cables, fuente de

alimentación (DC 24V), y botonera, solenoides, contactos normalmente abiertos y normalmente

cerrados. En estos circuitos la lógica de funcionamiento con la que se ha de controlar el equipo

debe ser hecha de manera física. Conectando los componentes antes mencionados de forma tal

que puedan tener una secuencia lógica de operación. Para lograr hacer esto es necesario conocer

bien el funcionamiento de cada componente. (Omar Pérez, 2007)

CAPÍTULO II MARCO METODOLÓGICO

El desarrollo del proyecto se hizo siguiendo una serie de pasos los cuales se detallan en el

presente capítulo.

2.1 Revisión de bibliografía e información sobre equipos simuladores oleohidráulicos

La investigación que se realizo fue del tipo documental y descriptiva. Se recurrió a libros

y a guías especializados en todas las áreas involucradas en el desarrollo del banco simulador de

circuitos oleohidráulicos (diseño estructural, sistemas de control, sistemas oleohidráulicos) Con

respecto a la investigación descriptiva, ella se enfoco en el análisis y comprensión de bancos

simuladores existentes. Con esta investigación se obtuvo una base sobre la cual iniciar el diseño

del proyecto. Esta investigación fue realizada sobre la data que las empresas especializadas en el

área tienen disponible, ya sea en la Internet, catálogos y visitas.

Con el fin de realizar el banco de manera factible y apropiada se efectuó una investigación

sobre los modelos ya existentes. A través de ésta se encontró la existencia de varias empresas

dedicadas a la fabricación y construcción de sistemas oleohidráulicos las cuales tienen

disponibles bancos simuladores de estos circuitos existiendo diversidad de ofertas y modelos.

Entre las empresas que cuentan con bancos simuladores de circuitos oleohidráulicos

tenemos Bosch Rexroth, Parker Hannifin y Lab Volt. Estas empresas producen estos equipos

para se utilizados para dar cursos a personal que se necesite capacitación en el área, además de

fabricarlos para ser vendidos a instituciones y centros educativos. Las empresas revisadas

muestran formas de diseño bastante similar en algunos casos y en otros se aprecian marcadas

47

diferencias. Algunas empresas proponen que todos los componentes oleohidráulicos sean

removibles y que de acuerdo al circuito a instalar se escojan aquellos que se necesiten y se

ensamble los circuitos. El otro enfoque propuesto es un banco que tenga todas los elementos

necesarios para el ensamble de los circuitos fijos en él, y que según sea las necesidades de la

práctica se conecte los que sean útiles y se dejen por fuera los que no. Se decidió utilizar para el

desarrollo de este proyecto el enfoque que permite tener todos los componentes instalados y de

acuerdo al circuito que se desee simular, conectar los dispositivos que éste necesite.

2.2 Selección de los circuitos oleohidráulicos a simular

En esta fase del proyecto se seleccionó los circuitos oleohidráulicos que abarquen los

principios básicos de esta tecnología. Luego de esto se procedió a diseñar las prácticas de

laboratorio que se han de montar en cada circuito del banco simulador.

2.3 Diseño de las prácticas

Este paso consiste en planificar y diseñar las prácticas que se han de realizar en cada

circuito oleohidráulico ya escogido. Las prácticas tendrán varios enfoques. El primero de ellos

será solo análisis y demostración de los principios de la oleohidráulica. El segundo enfoque serán

prácticas que recreen sistemas de control similares a los empleados en la industria para operar

estos circuitos. Por medio de éstas se permitirá ver las diferencias entre los distintos tipos de

control disponibles (manual, PLC y rele). Por último estarán las prácticas destinadas a reproducir

posibles fallas en los circuitos, como lo son la aeración de las tuberías, cavitación, mala selección

de válvulas para realizar los circuitos, diferencias de las características de operación entre

válvulas del mismo funcionamiento pero con diferentes especificaciones.

Una vez planteado las prácticas se realizara la simulación de éstas en el software

AutomationStudio 5.0. Esto permitirá estudiar el comportamiento de los circuitos (presión

máxima, caudal, tiempo de operación etc.) antes de su construcción. La simulación también es

necesaria para definir los elementos eléctricos del área de control que los circuitos necesitan

(número de cables, número de relés, número de entradas y salidas del PLC).

48

2.4 Cálculos de los circuitos

En este paso se realizó los cálculos de pérdidas de presión, consumo de potencia,

calentamiento y disipación de calor de los circuitos utilizando las ecuaciones correspondientes a

cada caso. Con los resultados de estos cálculos se escogerán aquellos componentes que dependen

de éstos (Bomba, Motor eléctrico, válvulas, tamaño del tanque etc.)

2.5 Selección de los componentes mecánicos

Una vez definidos los circuitos y las prácticas, se procederá a seleccionar los elementos o

dispositivos mecánicos (válvulas, actuadores, bomba, sub-bases, mangueras, conectores etc.)

necesarios para que los circuitos puedan ser reproducidos en el banco.

La escogencia de los elementos mecánicos oleohidráulicos se realizara con la ayuda de

catálogos técnicos, donde se especifican las medidas, curvas de comportamiento y material de los

elementos (válvulas, actuadores, accesorios, mangueras, etc.).

2.6 Selección de los componentes eléctricos de control

Aquí se seleccionaran los elementos eléctricos destinados al control de los circuitos

oleohidráulicos del banco.

2.7 Realización de los planos de la estructura del banco

Una vez seleccionado todos los componentes que el banco requiere se procederá a mostrar

mediante la utilización de planos los ensambles que estas piezas necesitan para ser utilizadas en

el banco. Estos planos también muestran el diseño sugerido para la estructura del banco, así como

las posiciones a ocupar por las piezas en el banco.

2.8 Propuesta del circuito hidráulico de alimentación

En esta parte del proyecto se realiza las propuestas para el circuito hidráulico de

alimentación del banco (fuente de potencia). Este circuito no es parte de las prácticas de

laboratorio del banco.

49

2.9 Manual de prácticas

Por ultimo se realizara el manual de operación para el banco simulador de circuitos

oleohidráulicos. En dicho manual se plantean las prácticas que se realizará en el banco,

incluyendo los esquemas de los circuitos, preguntas teóricas y los objetivos demostrativos

vinculados a cada circuito. El manual también contendrá los procedimientos de operación del

banco que garantice el uso correcto de éste, así como las medidas de seguridad necesarias.

CAPÍTULO III

SELECCIÓN DE CIRCUITOS

En este capítulo se seleccionan los circuitos oleohidráulicos que serán construidos en el

banco simulador. Estos circuitos se construirán en la parrilla de trabajo del banco y serán

denominados circuitos oleohidráulicos secundarios. Estos circuitos engloban los fundamentos de

la oleohidráulica, así como funciones más complejas producto de la combinación de varios de los

principios de ella.

Los circuitos hidráulicos seleccionados serán prácticas de laboratorio las cuales tendrán

dos enfoques. El primer enfoque consiste en prácticas que permitan analizar los principios

mecánicos y oleohidráulicos con el que funcionan los circuitos. Los circuitos utilizados para estas

prácticas tendrán un sistema de control manual. El segundo enfoque de las prácticas, tiene un

nivel de dificultad mayor al primero, éstas utilizan todos los principios y componentes mecánicos

de las primeras prácticas con la inclusión del uso de sistemas de control eléctrico, para la

automatización de los circuitos. Estas prácticas se plantean en el capítulo cuatro.

En esta sección se presentan los circuitos oleohidráulicos escogidos donde cada uno de

ellos representará una práctica de laboratorio enfocada en el comportamiento y análisis de los

componentes mecánicos, y los principios de la hidráulica. Estas prácticas serán de carácter

demostrativo. Cada circuito seleccionado tendrá la explicación del principio oleohidráulico que

está ligado a él, su funcionamiento mecánico, un esquema de las conexiones de los mismos y una

lista de los componentes que se necesitan para armarlos.

Los componentes que se especifican como necesarios para el funcionamiento de los

circuitos son los que hay que conectar del manifold en adelante. Los componentes del manifold

hacia abajo, es decir, la fuente de alimentación del banco (bomba, válvula de alivio, filtro,

51

recipiente de aceite) están siempre conectados, y no son especificados en este capítulo, éstos

últimos se muestran en detalle en el capítulo nueve. Para el análisis de y construcción de los

esquemas de los circuitos aquí planteados se realizó su simulación en el programa

AutomationStudio 5.0

3.1 Circuito Nº 1

Circuito oleohidráulico básico, accionamiento de un actuador lineal (Fig.30), cuya

función es extender, retraer y parar un cilindro. Este circuito es la practica número uno.

Figura 30. Esquema del circuito 1.

Fuente: Propia

52

Componentes hidráulicos

• Un actuador lineal

• Una válvula direccional de cuatro vías, tres posiciones, accionada por palanca

reposicionada por resorte.

• Dos manómetros.

Operación del circuito

Este circuito permite mediante la activación de la válvula direccional manual, iniciar el

movimiento de extensión del actuador, pararlo en un punto de la carrera o en el final de ésta, y

por último activar el movimiento de retracción del actuador.

Objetivos del circuito

Este circuito por su sencillez es el idóneo para mostrar algunas de las ventajas de los

sistemas de transmisión de potencia hidráulicos sobre los demás sistemas de transmisión de

potencia.

En este circuito se puede observar como los actuadores de los circuitos hidráulicos pueden

invertir instantáneamente sin problemas la dirección o el sentido de su movimiento. Esta ventaja

se puede apreciar al activar la válvula direccional en un sentido y luego en el otro.

Otra ventaja de la oleohidráulica observada en este circuito es la protección de estos

sistemas de transmisión de potencia en casos de sobre cargas. Esta protección se logra por medio

de la válvula de alivio la cual garantiza que la presión del circuito no alcance niveles que puedan

dañar los equipos. Esta ventaja se pone en evidencia al dejar activada la válvula direccional

cuando el actuador ha terminado cualquiera de sus dos carreras (extensión y retracción), hecho

esto la presión del sistema subirá hasta el valor de calibración la válvula de alivio. El valor de la

presión a la cual está calibrada la válvula de alivio se puede variar para observar como se puede

tener varios criterios de seguridad para un sistema.

53

Con el uso de este circuito también se puede apreciar como la diferencia de presión entre

los puertos de un actuador lineal genera el movimiento de éste. Esto se aprecia por medio de la

lectura de presión en los manómetros A y B, durante la activación de la válvula direccional. En la

carrera de extensión la presión leída en el manómetro A será mayor que la presión leída en el

manómetro B, mientras que en la carrera de retorno la presión leída en el manómetro B será

mayor que la presión leída en el manómetro A.

El último objetivo planteado para este circuito requiere de la conexión de una válvula de

alivio a la salida del puerto cabeza del actuador. Con esta modificación se podrá demostrar como

la presión en los circuitos oleohidráulicos es producida por pérdidas de presión en las tuberías, la

resistencia que ofrecen los componentes al flujo del aceite y por las fuerzas externas que actúan

sobre los actuadores. Esto se aprecia al regular la presión de apertura de la válvula de alivio para

varios valores, y activar el circuito. La lectura de presión en los manómetros A y B será distintas

para cada punto de regulación de la válvula de alivio, observando así como la presión del circuito

no es dependiente de la bomba si no de las condiciones de trabajo del circuito.

3.2 Circuito Nº 2

Circuito oleohidráulico regenerativo (Fig.31), cuya función es proveer una velocidad

mayor en la carrera de extensión del cilindro a la que se tendría con el caudal de la bomba.

Adicional a esto puede mantener una velocidad y fuerza igual en la carrera de extensión y de

retracción del cilindro si éste tiene una relación de áreas 2:1. Este circuito es la práctica número

dos.




• Un bloqueador o tapón.

• Un cilindro 2:1

• Una unión en forma de T.

• Dos manómetros

54


Este circuito permite mediante la activación de la válvula direccional manual, iniciar el

movimiento de extensión del actuador, pararlo en un punto de la carrera o en el final de ésta, y

por último activar el movimiento de retracción del actuador.

Una consecuencia de este arreglo hidráulico es la obtención de una velocidad igual para

ambas carreras del cilindro (expansión y retorno).

Figura 31. Esquema circuito 2.

Fuente: Propia

55

Objetivos del circuito

Este circuito permite mostrar como es posible obtener una velocidad de activación para un

actuador diferente a la velocidad que da la relación de caudal de la bomba con el área transversal

del cilindro. Esto se logra al utilizar en la carrera de extensión del cilindro el caudal proveniente

del puerto de descarga del mismo más el caudal que entrega la bomba. De esta forma se obtiene

un caudal mayor al caudal nominal de la bomba para la activación del cilindro en su carrera de

extensión.

Adicional a lo anterior se puede observar por medio de las lecturas de los manómetros la

importancia de la relación de áreas en la hidráulica. En la carrera de extensión de este circuito las

lecturas de presión en los manómetros serán iguales, pero debido a la diferencia de áreas donde la

presión actúan en el cilindro, se obtiene un desequilibrio de fuerzas en el pistón, lo cual permite

que el cilindro realice la carrera de extensión aun teniendo la misma presión en el puerto de

entrada como en el puerto de descarga.

3.3 Circuito Nº 3

Circuito oleohidráulico de secuencia (Fig.32), cuya operación es realizar la carrera de

extensión, de un cilindro uno y luego la carrera de extensión del cilindro dos. Este circuito es la

práctica número tres.


• Dos manómetros


reposicionada por resorte

• Dos cilindros.

• Una válvula secuencial con una válvula check incorporada.

• Dos uniones en “T”.

56


Se acciona la válvula direccional manual, la cual permitirá que el caudal de la bomba

llegue a la línea de presión del sistema. Con esta acción se activa el cilindro número uno, y luego

que este se haya extendido el cilindro número dos realizará su carrera de extensión. Una vez

culminada ambas carreras se activará la válvula direccional en sentido opuesto. Esto permitirá

que ambos cilindros realicen su carrera de retracción


Fuente: Propia

57

Objetivo del circuito

Este es el primer circuito de las prácticas que utiliza dos cilindros, y el objetivo principal

del mismo es mostrar como se puede coordinar la activación de éstos con una secuencia lógica

mediante el uso de una válvula de secuencia.

Con la lectura de la presión en el manómetro A se puede observar como la válvula de

secuencia no permitirá el flujo de aceite hacia el cilindro dos hasta que la presión en el puerto de

entrada de ésta alcance el valor al cual está regulada. Una vez ocurrido esto se observará como la

presión en los puertos de entrada de ambos cilindros se alcanzan la misma presión mediante la

lectura de los manómetros.

3.4 Circuito Nº 4

Circuito oleohidráulico de secuencia con presión de apriete limitada (Fig.33), cuya

operación es realizar la carrera de extensión del cilindro uno y luego la carrera de extensión el

cilindro dos y permitir que estos trabajen a diferente presión. Este circuito es la práctica número

cuatro.


• Tres manómetros

• Una válvula direccional de cuatro vías, tres posiciones, accionada por reposicionada por

resorte.

• Dos cilindros.


• Una válvula reductora de presión con una válvula check incorporada.





que este se haya extendido por completo el cilindro número dos realizará su carrera de extensión.

58

La presión a la cual funcionara el cilindro número dos será mayor que la del cilindro número uno.

Una vez culminada ambas carreras se activará la válvula direccional en sentido opuesto. Esto

permitirá que ambos cilindros realicen su carrera de retracción. Por la configuración de este

circuito la carrera de retracción debería realizarse de manera simultanea en ambos circuitos, pero

esto dependerá de las restricciones que cada circuito tenga en la línea de retorno.

. Figura 33. Esquema circuito 4.

Fuente: Propia

59


El objetivo de este circuito es mostrar como se puede realizar un montaje donde dos

cilindros sean activados siguiendo una secuencia de activación lógica y además funcionen a

distintas presiones.

Mediante la lectura de presión de los tres manómetros se observara el funcionamiento de

las válvulas reductoras de presión y de la válvula de secuencia. Con la lectura de presión de los

manómetros A y B conectados antes y después de la válvula reductora de presión se observara

como esta válvula disminuye la presión proveniente de la línea de presión principal. Mientras que

con la lectura de los manómetros conectados antes y después de la válvula de secuencia se

observará cuando está se abra y permita el flujo de aceite hacia el cilindro dos.

Por último se observará con la lectura de los manómetros conectados en los puertos de

entrada de ambos cilindros (manómetro A y C) como la presión que recibe cada cilindro es

distinta, siendo la presión del cilindro uno menor que la presión del cilindro dos, por acción de la

válvula reductora de presión.

3.5 Circuito Nº 5

Circuito oleohidráulico de contra-balance (Fig.34), cuya operación es proporcionar una

resistencia hidráulica al cilindro para equilibrar una carga. Este circuito es la práctica número

cuatro.


• Dos manómetros




• Una válvula de contra-balance con una válvula check incorporada

60


Fuente: Propia


Para la operación de este circuito es necesario primero colocar una masa que actué a

tracción contra el cilindro. Luego se calibra la válvula de contra-balance hasta que ésta sea capas

de sostener la carga. Luego se acciona la válvula direccional manual, y el cilindro realizara sus

carreras de extensión y retracción.


Este circuito tiene como finalidad mostrar como un montaje hidráulico puede equilibrar

un peso muerto producido por una carga colgante sobre el actuador.

61

Otros objetivos que se pueden alcanzar con este circuito es el análisis de la situación en la

que la válvula de contra-balance no esta calibrada a la presión necesaria para equilibrar el peso de

la carga y el análisis de la situación cuando la válvula de contra-balance está calibrada por

encima del valor de presión necesaria para el equilibrio de la carga.

Estos análisis se hacen mediante la lectura de presión de lo manómetros A y B conectados

antes y después de la válvula de contra-balance, lo que permitirá observar cual es el valor de la

presión producida en línea que conecta el actuador con la válvula de contra-balance, y analizar a

partir de que nivel de regulación de la válvula de contra-balance es capas de equilibrar la carga.

3.6 Circuito Nº 6

Circuito oleohidráulico con velocidad controlada (Fig.35), cuya operación es permitir que

el cilindro realice su carrera de extensión con una velocidad controlada, mientras que la carrera

de retorno la haga a velocidad rápida. Este circuito es la práctica número seis.


• Un caudalímetro

• Un manómetro


• Una válvula direccional de cuatro vías, tres posiciones, accionada por palanca con

enclavamiento.

• Una válvula reguladora de caudal con una válvula check incorporada.



llegue a la línea de presión del sistema. Luego el cilindro realiza su carrera de extensión a una

velocidad menor al valor que da la relación entre el caudal de la bomba y el área transversal del

cilindro. Luego con la activación en sentido contrario de la válvula direccional se obtiene el

movimiento de retorno del cilindro a la velocidad que da la relación entre el caudal y el área

transversal del cilindro menos el área del vástago.

62


Fuente: Propia


Este circuito tiene como objetivo mostrar la facilidad con la que los sistemas de

transmisión de potencia hidráulicos pueden funcionar a distintas velocidades sin modificar su

estructura. Esto se logra utilizando una válvula de regulación de caudal junto con una válvula de

descarga o válvula alivio. La válvula de reguladora de caudal produce una resistencia adicional

en la línea de presión forzando al fluido hacia otras vías que ofrezcan menor resistencia a la

63

circulación, siendo la válvula de alivio la vía de menor resistencia en este caso. Por dicha válvula

el caudal de la bomba se desvía directamente a tanque sin pasar por el cilindro.

El análisis del funcionamiento del circuito se hace mediante la observación de los valores

reportados por el caudalímetro instalado en la línea de presión. El cual medirá la variación de

flujo que se producirá en la línea de presión producto de la apertura de la válvula de alivio

El rango de velocidades que se puede obtener con este montaje va desde velocidades muy

bajas (válvula reguladora de caudal casi totalmente cerrada) hasta la velocidad normal de

funcionamiento dada por la relación entre el caudal y el área transversal del pistón (válvula

reguladora de caudal totalmente abierta).

Este circuito permite tres configuraciones distintas para controlar la velocidad de un cilindro, las

cuales depende de la forma y ubicación como se conecte la válvula reguladora de caudal. Las tres

configuraciones para regular el caudal son, regulación de caudal en la entrada, regulación de

caudal en la salida, o regulación por sangrado.

La regulación de caudal en la entrada del cilindro se muestra en la Figura 35. En este

circuito la presión del sistema debe alcanzar la presión de la válvula de alivio.

La regulación de caudal en la salida del cilindro se muestra en la Figura 36. En este

circuito la regulación del caudal es independiente de la dirección de las fuerzas impuestas por la

carga. En este circuito la bomba trabaja también a la presión a la cual está regulada la válvula de

alivio.

La regulación por sangrada se muestra en la Figura 37. Con esta configuración la bomba

funciona a una presión inferior a la cual está graduada la válvula de alivio. Esta configuración

proporciona una regulación de caudal menos precisa ya que es indirecta pero como ventaja ofrece

un menor consumo de de potencia comparado con los dos métodos anteriores.

64

Figura 36. Esquema circuito 6.A

Fuente: Propia

El último objetivo de este montaje es mostrar las diferencias en el funcionamiento de un

circuito cuando éste utiliza una válvula reguladora de caudal compensada y cuando utiliza una no

compensada. Para esto será necesario conectar el puerto de descarga del cilindro a una válvula de

secuencia que simule una carga a compresión en el cilindro. Con la variación en la regulación de

ésta se simulara los cambios de las características de operación del circuito, observando así como

la válvula compensada puede mantener una regulación de caudal constante mientras la válvula de

65

regulación no compensada varia la regulación de caudal conforme varíen las condiciones de

trabajo del circuito.

Figura 37. Esquema del circuito 6.B

Fuente: Propia

3.7 Circuito Nº 7

Circuito oleohidráulico de avance rápido y trabajo lento (Fig.38), cuya función es permitir

que el cilindro realice parte de su carrera de extensión a máxima velocidad y la otra parte de su

carrera a velocidad controlada. Este circuito es la práctica número siete.

66


• Nueve mangueras




• Una válvula reguladora de caudal

• Dos uniones en forma de “T”

• Una válvula direccional dos vías dos posiciones, activada por leva y reposicionada por

resorte, normalmente abierta.



llegue a la línea de presión del sistema. Luego el cilindro inicia el recorrido de su carrera, la cual

primero realizará a una velocidad no regulada.

Luego que el vástago active la leva que controla la válvula direccional dos vías dos

posiciones y la cierre forzando al fluido de descarga del cilindro a pasar por la válvula reguladora

de caudal. La cual regulara el caudal de descarga del cilindro, controlando así la velocidad con la

que se mueve el éste.


Ya se demostró con el montaje seis como se puede variar la velocidad de un actuador,

ahora con este circuito se muestra una de las aplicaciones donde es útil realizar dicha acción.

Este circuito muestra como se puede obtener una variación de velocidad del cilindro

durante la carrera de extensión. Este circuito es usado en aquellas aplicaciones donde es necesario

tener una velocidad de trabajo lenta, para no dañar la pieza, y una velocidad de aproximación

rápida para obtener tiempos de ciclo cortos por razones económicas.

67


Fuente: Propia

Durante la carrera de acercamiento la presión que detectara el manómetro es baja, una vez

activada la válvula direccional accionada por leva, el fluido de descarga del cilindro se desviará

hacia la válvula reguladora de caudal. En este punto la presión leída por el manómetro crecerá

hasta alcanzar la presión a la cual está regulada la válvula de descarga.

68

3.8 Circuito Nº 8

Circuito oleohidráulico de secuencia con control de velocidad (Fig.39), cuya función es

permitir la activación de dos cilindros con una secuencia lógica y con velocidad controlada para

uno de ellos. Este circuito es la práctica número ocho.


Fuente: Propia

69


• Diez mangueras


enclavamiento.

• Dos cilindros.


• Una válvula reguladora de presión con una válvula check incorporada.





que este se haya extendido por completo el cilindro número dos realizará su carrera de extensión.

La carrera de extensión del segundo cilindro será con velocidad controlada.. Una vez culminada

ambas carreras se activará la válvula direccional en sentido opuesto. Esto permitirá que ambos

cilindros realicen su carrera de retracción


El objetivo de este montaje es mostrar como se pueden usar simultáneamente dos

principios de la oleohidráulica en un mismo circuito. Este circuito muestra como se puede

realizar la activación de los cilindros con una secuencia, y variar la velocidad de accionamiento

de uno de ellos. Por medio de la lectura de los manómetros se observara como en este caso solo

se regula la velocidad, sin embargo la presión a la que funcionan los cilindros es igual.

3.9 Circuito Nº 9

Circuito oleohidráulico rotativo básico (Fig.40), cuya función es permitir la activación un

motor hidráulico en sentido horario y antihorario a velocidad de giro constante. Este circuito es la

práctica número nueve.

70


Fuente: Propia


• Cinco mangueras

• Un actuador rotativo


enclavamiento.

• Una válvula de frenado.

71



llegue a la línea de presión del sistema. El caudal entregado por bomba pasa a través de la

válvula freno, a su vez, acciona el piloto que permite que el caudal que proviene del puerto de

descarga del motor hidráulico pase por la válvula de freno hacia la válvula direccional y de allí

hacia el tanque. Cuando se activa la válvula direccional en la otra dirección, el circuito activara el

motor hidráulico en forma opuesta a la anterior. La válvula de freno funcionara en sentido

contrario. Es decir, recibirá el caudal proveniente de la bomba por el puerto que antes funcionaba

para dirigir el caudal a tanque y enviara el caudal a tanque por el puerto por donde antes recibía el

caudal de la bomba. Cuando la válvula direccional es puesta en su posición de centro, la válvula

de freno se encarga de frenar el motor hidráulico.


En este circuito se puede apreciar algunas de las ventajas de los sistemas de transmisión

de potencia hidráulicos sobre los demás sistemas de transmisión de potencia. Como lo es la

capacidad de invertir el sentido de giro del actuador. Esto se puede observar al activar la válvula

direccional en un sentido y luego en el otro y observar como el actuador rotativo cambia de

dirección.

En este circuito se puede observar las funciones de la válvula de frenado, que son evitar

un exceso de velocidad en el actuador rotativo y evitar una presión excesiva en las líneas de

presión del circuito. Por medio de la lectura de presión en los manómetros se observara como la

válvula de frenado produce una contrapresión en el puerto de descarga del motor, siendo esta

presión la que frena el motor. Mientras que el manómetro que este conectado al puerto de entrada

reportara una presión menor a la presión del puerto de descarga del motor.

3.10 Circuito Nº 10

Circuito oleohidráulico rotativo con control de velocidad (Fig.41), cuya función es

permitir la activación un motor hidráulico en sentido horario y antihorario a velocidad de giro

constante. Este circuito es la práctica número diez.

72


Fuente: Propia

Componentes hidráulicos.

• Ocho mangueras

• Un actuador rotativo


enclavamiento.

73

• Una válvula reguladora de caudal

• Una unión en forma de T

• Una válvula de frenado.


La operación de este circuito es similar a la del circuito número nueve. Se acciona la

válvula direccional manual, la cual permitirá que el caudal de la bomba llegue a la línea de

presión del sistema. El caudal entregado por bomba pasa a través de la válvula freno, a su vez

acciona el piloto que permite que el caudal que proviene del puerto de descarga del motor

hidráulico pase por la válvula de freno hacia la válvula direccional y de allí hacia el tanque.

Paralelamente a esto la válvula reguladora de caudal, desvía la cantidad de caudal

necesaria a tanque para disminuir la velocidad de giro del actuador hasta la velocidad deseada.

Esta operación se puede hacer para ambos sentidos de giro del actuador.


En este circuito se puede observar como es posible modificar la velocidad de

accionamiento de un motor hidráulico. Para esto el circuito utiliza la válvula reguladora de caudal

conectada en forma de sangrado, desviando parte del caudal que entrega el motor directamente al

tanque. Por medio de la lectura de los manómetros se observara que este circuito no trabaja a la

presión de apertura de la válvula de alivio.

Con este circuito también se puede observar la diferencia de presión entre los puertos de

entrada y salida de la bomba producto de la válvula de frenado.

CAPÍTULO IV PLANTEAMIENTO DE PRÁCTICAS

DE CONTROL

En este capítulo se plantean las prácticas de control eléctrico que el banco simulador de

circuitos oleohidráulicos podrá aplicar a los diez circuitos hidráulicos propuestos en el capítulo

tres. Estás prácticas de control eléctrico junto a las prácticas de control manual conformarán un

grupo de experiencias que se realizan en el banco.

Los sistemas de control eléctrico escogidos son: circuitos eléctricos de relés y de PLC

(controlador lógico programable). Todos los circuitos hidráulicos podrán ser controlados por

ambos sistemas de control. Se selecciono estos dos sistemas de control debido a que se usan con

frecuencia en la automatización de circuitos oleohidráulicos.

Las prácticas de control eléctrico tienen como objetivo el mostrar los circuitos hidráulicos

automatizados para mejorar su funcionamiento. También permitir ver las diversas

configuraciones que un mismo circuito hidráulico puede tener. Este último objetivo involucrará

variaciones en los componentes mecánicos que el circuito hidráulico utilizará respecto a la

versión manual. Hay que mencionar que las prácticas de control eléctrico para todos los circuitos

deben garantizar que estos realicen su operación mecánica en forma similar a las obtenidas en las

prácticas de control manual.

Todas las prácticas de control planteadas en este capítulo fueron simuladas en el software

AutomationStudio 5.0. La simulación se hizo con el objetivo de determinar los componentes

eléctricos tales como: número de relés, tamaño del PLC, número de cables, número de botones,

número de interruptores eléctricos; que se necesitan para poder realizar las prácticas y dotar el

75

banco de dichos componentes. Esto para evitar que se quiera construir un circuito hidráulico con

un sistema de control eléctrico en el banco y éste no cuente con los elementos necesarios.

La instalación del sistema de control eléctrico (PLC y relé) para los circuitos hidráulicos

que van del número uno al número ocho, debe incluir las siguientes cinco funciones de operación,

las cuales se activaran por medio de interruptores eléctricos (Fig. 42).

• Ciclo-prueba: Esta función hará que el circuito realice un solo ciclo de operación y luego

se detenga. Esta función tiene el objetivo de revisar el funcionamiento del circuito

mediante la activación de un único ciclo.

• Ciclo-continuo: Esta función hará que el circuito hidráulico repita de forma continua la

operación para la cual está configurado. Esta función tiene el objetivo de simular la acción

de operación de una planta donde ésta realiza su ciclo de trabajo ininterrumpido

• Parada: Esta es una función que detiene el circuito hidráulico y solo podrá ser activada

cuando el circuito este en la operación de ciclo-continuo. La función parada permitirá que

el circuito se detenga en un número completo de ciclos, esto simulara una parada de

planta industrial.

• Emergencia: Esta función detiene el circuito hidráulico, y a diferencia de la función

Parada, ésta hará que el circuito se detenga en el instante que sea activada y no permitirá

que el circuito hidráulico termine el ciclo que este llevando acabo. Esta función simulara

el botón de emergencia que debe poseer toda planta que opere circuitos oleohidráulicos.

• Reseteo-E: Esta es la función encargada de resetear o cancelar la función Emergencia.

Sin la activación de esta función el circuito no podrá realizar las funciones de ciclo-

prueba o ciclo-continuo cuando se haya activado la función Emergencia.

76

Figura 42. Interruptores de las funciones de operación

Fuente: Propia

Estas operaciones de control no se aplicaran a los circuitos 9 y 10 (rotativos). Para estos

circuitos las funciones de operación son las siguientes (Fig.43)

• Horario: Esta función permite que el motor hidráulico gire en sentido horario. En el caso

que primero haya sido activa la función Anti-horario, la función horario debe desactivarla

para luego darle el nuevo sentido de giro al motor.

• Anti-horario: Esta función permite que el motor hidráulico gire en sentido anti-horario.

En el caso que primero haya sido activa la función Horario, la función Anti-horario

debe desactivarla para luego darle el nuevo sentido de giro al motor.

• Parada: Esta función detiene el motor hidráulico

La numeración de las prácticas de control está precedida por la letra P, luego por el

número del circuito manual que se desee automatizar, le sigue el número de la configuración

posible que acepte dicho circuito. En el caso que el circuito hidráulico acepte varias

configuraciones de programación, cada una de ellas representara una practica distinta, y ellas

77

tendrán el número que la identifique en orden de dificultad. Por último el número uno (1) si

utiliza PLC para el sistema de control eléctrico o el número dos (2) si utiliza relé.

Figura 43. Interruptores de las funciones de operación

para los circuitos rotativos

Fuente: Propia

Los circuitos que solo utilizan un cilindro o motor hidráulico (con la excepción del

circuito 7) no tendrán variación en su configuración mecánica. Es decir, utilizaran los mismos

componentes mecánicos que las prácticas de control manual, con el único cambio de la válvula

direccional manual por una válvula direccional operada por solenoide, y los sensores de final de

carrera. Los circuitos que utilizan dos cilindros (incluyendo el circuito 7) si tendrán distintas

configuraciones de construcción con el sistema de control eléctrico.

La programación del sistema de control utilizando relé ó PLC en varios circuitos puede

ser igual. Es decir existen varios circuitos que por su configuración aceptan la misma

programación del sistema de control eléctrico. En los casos donde esto suceda se presentará la

misma opción de programación, pero no es necesario que en la práctica se tenga que usar la

misma programación para estos circuitos.

A continuación los montajes de circuitos hidráulicos con sistema de control eléctrico.

78

4.1 Circuito Nº 1.1.

Este circuito es la opción eléctrica para el circuito Nº 1 (Fig.30). En el circuito Nº 1.1 se

plantea la instrumentación eléctrica del circuito básico lineal, utilizando sistemas de control

eléctrico con relés y PLC. Las características mecánicas del circuito Nº 1 no permiten el

planteamiento de configuraciones distintas a la del circuito manual, solamente la sustitución de la

válvula direccional manual por una válvula direccional activada por solenoides y la inclusión de

los sensores de final de carrera. La configuración del circuito 1.1 se muestra en la Figura 44. Esta

configuración es valida para el sistema de control eléctrico con relés y PLC.

Figura 44. Esquema del circuito 1.1

Fuente: Propia

79

Con el circuito hidráulico Nº 1.1 se plantea las prácticas P.1.1.1 y práctica P 1.1.2, las

cuales deben de tener configuradas las cinco funciones de operación (Fig.42).

La programación del circuito de control eléctrico que utiliza PLC que cumple con las

exigencias de la práctica 1.1.1 se muestra en la Figura 45.

Figura 45. Programa de PLC número uno

Fuente: Propia

80

El sistema de control eléctrico con relés que cumple con las exigencias de la práctica

P.1.1.2 se muestra en la Figura 46.

Figura 46. Circuito eléctrico de relé número uno.

Fuente: Propia

81



plantea la instrumentación eléctrica del circuito regenerativo, utilizando sistemas de control





configuración es valida para el sistema de control eléctrico con relés y PLC.


Fuente: Propia

82

Con el circuito hidráulico Nº 2.1 se plantea las prácticas P.2.1.1 y práctica P.2.1.2, las



exigencias de la práctica 2.1.1 se mostró en la Figura 45.

El sistema de control eléctrico con relés que cumple con las exigencias de la práctica 2.1.2

se mostró en la Figura 46.



plantea la instrumentación eléctrica del circuito de secuencia, utilizando sistemas de control

eléctrico con relés y PLC. Las características mecánicas del circuito Nº 3 si permiten el

planteamiento de varias configuraciones además de la sustitución de la válvula direccional

manual por una válvula direccional activada por solenoides y la inclusión de los sensores de final

de carrera.

La configuración del circuito 3.1 se muestra en la Figura 48. Esta configuración es valida

para el sistema de control eléctrico con relés y PLC




exigencias de la práctica P.3.1.1 se muestra en la Figura 49.



83


Fuente: Propia

84

Figura 49. Programa de PLC número dos.

Fuente: propia

85

Figura 50. Circuito eléctrico de relé número dos.

Fuente: propia

En la Figura 51 se muestra el circuito Nº 3.2, el cual es una configuración distinta para el

circuito Nº 3.1. En éste la válvula de secuencia es sustituida por la válvula direccional eléctrica

número tres. El circuito Nº 3.2 tiene una configuración de los sistemas de control distinta a la

86

planteada para el circuito Nº 3.1. La configuración del sistema de control eléctrico para el circuito

Nº 3.2 utilizando relé y PLC permite que éste realice el mismo trabajo que realiza el circuito

Nº 3.1 con una configuración mecánica distinta.


Fuente: Propia

87


cuales deben de tener configuradas las cinco funciones de operación (Fig. 42).





En la Figura 54 se muestra el circuito Nº 3.3, el cual es última configuración planteada

para el circuito Nº 3.1. En éste la válvula de secuencia es sustituida por la válvula direccional

eléctrica número dos. El circuito Nº 3.3 tiene una configuración de los sistemas de control

distinta a la planteada para el circuito Nº 3.1. La configuración del sistema de control eléctrico

para el circuito Nº 3.3 utilizando relé y PLC permite que éste realice el mismo trabajo que realiza

el circuito Nº 3.1 con la mejora de poder mantener una secuencia controlada en la carrera de

retorno.



La programación del circuito de control eléctrico con PLC que cumple con las exigencias

de la práctica P.3.3.1 se muestra en la Figura 55.



88

Figura 52. Circuito eléctrico de relé número tres.

Fuente: Propia

89

Figura 53. Programa de PLC número tres.

Fuente: propia

90


Fuente: propia

91

Figura 55. Programa de PLC número cuatro.

92

Figura 56. Circuito eléctrico de relé número cuatro.

Fuente: Propia

93



plantea la instrumentación eléctrica del circuito de secuencia con presión de aprieta limitada,

utilizando sistemas de control eléctrico con relés y PLC. Las características mecánicas del

circuito Nº 4 si permiten el planteamiento de varias configuraciones además de la sustitución de

la válvula direccional manual por una válvula direccional activada por solenoides y la inclusión

de los sensores de final de carrera.





El circuito de control eléctrico que utiliza PLC que cumple con las exigencias de la

práctica P.4.1.1 es mostrado en la Figura 49.


P.4.1.2 se mostroen la Figura 50.





Nº 4.2 utilizando relé y PLC permite que éste realice el mismo trabajo que realiza el circuito Nº

4.1 con una configuración mecánica distinta.



94


se muestra en la Figura 52.


exigencias de la práctica 4.2.1 se muestra en la Figura 53.

Figura 57. Esquema del circuito 4.1.

Fuente: propia

95


Fuente: propia

96







retorno.




se muestra en la Figura 52.


de la práctica 4.2.1 se muestra en la Figura 53.


Este circuito es la opción eléctrica para el circuito Nº 5 (Fig.34). En el circuito Nº 5.1se

plantea la instrumentación eléctrica del circuito de contra-balance, utilizando sistemas de control





configuración es valida para el sistema de control eléctrico con relés y PLC




exigencias de la práctica P.5.1.1 es mostrado en la Figura 45.

97




Fuente: Propia

98


Fuente: Propia



plantea la instrumentación eléctrica del circuito de velocidad controlada, utilizando sistemas de

control eléctrico con relés y PLC. Las características mecánicas del circuito Nº 6 no permiten el



99


configuración es valida para el sistema de control eléctrico con relés y PLC




exigencias de la práctica P.6.1.1 es mostrada en la Figura 45.


P.6.1.2 es mostrada en la Figura 46.



plantea la instrumentación eléctrica del circuito de avance rápido y trabajo lento, utilizando

sistemas de control eléctrico con relés y PLC. Las características mecánicas del circuito Nº 7 si

permiten el planteamiento de varias configuraciones además de la sustitución de la válvula

direccional manual por una válvula direccional activada por solenoides y la inclusión de los

sensores de final de carrera.






exigencias de la práctica P.7.1.1 se mostró en la Figura 45.


P.7.1.2 es mostrada en la Figura 46.

100


Fuente: Propia


circuito Nº 7.1. En éste la válvula de direccional activada por leva es sustituida por la válvula

direccional eléctrica número cuatro. El circuito Nº 7.2 tiene una configuración de sistemas de

control distinta a la planteada para el circuito Nº 7.1. La configuración del sistema de control

101

eléctrico para el circuito Nº 7.2 utilizando relé y PLC permite que éste realice el mismo trabajo

que realiza el circuito Nº 7.1 con una configuración mecánica distinta.


Fuente: Propia



102






Fuente: propia

103

Figura 64. Programa de PLC número cinco.

Fuente: propia

104

Figura 65. Circuito eléctrico de relé número cinco.

Fuente: propia

105

4.8 Circuito Nº 8.1


plantea la instrumentación eléctrica del circuito de secuencia con control de velocidad, utilizando

sistemas de control eléctrico con relés y PLC. Las características mecánicas del circuito Nº 8 si

permiten el planteamiento de varias configuraciones además de la sustitución de la válvula

direccional manual por una válvula direccional activada por solenoides y la inclusión de los

sensores de final de carrera.



Con el circuito hidráulico Nº 8.1 se plantea las prácticas 8.1.1 y práctica 8.1.2, las cuales

deben de tener configuradas las cinco funciones de operación (Fig. 42).









Nº 8.2 utilizando relé y PLC permite que éste realice el mismo trabajo que realiza el circuito Nº

8.1 con una configuración mecánica distinta.

106


Fuente: propia

107


Fuente: propia



108


P.8.2.2 se mostró en la Figura 52.









retorno.




de la práctica P.8.3.1 se mostró en la Figura 55.





plantea la instrumentación eléctrica del circuito básico rotativo, utilizando sistemas de control



válvula direccional manual por una válvula direccional activada por solenoides. La configuración

del circuito 9.1 se muestra en la Figura 69. Esta configuración es valida para el sistema de control

eléctrico con relés y PLC.

109


Fuente: Propia


cuales deben de tener configuradas las tres funciones de operación para los circuitos rotativos

(Fig.43).

110






Fuente: Propia

111

Figura 70. Circuito eléctrico de relé número seis.

Fuente: Propia



plantea la instrumentación eléctrica del circuito básico rotativo con regulación de velocidad,

utilizando sistemas de control eléctrico con relés y PLC. Las características mecánicas del

circuito Nº 10 no permiten el planteamiento de configuraciones distintas a la del circuito manual,

solamente la sustitución de la válvula direccional manual por una válvula direccional activada por

solenoides. La configuración del circuito Nº 10.1 se muestra en la Figura 72. Esta configuración

es valida para el sistema de control eléctrico con relés y PLC.

112

Figura 71. Programa de PLC número seis.

Fuente: propia

113

Figura 72. Esquema circuito 10.1.

Fuente: Propia


cuales deben de tener configuradas las tres funciones de operación para los circuitos rotativos

(Fig.42).


P.9.1.2 se mostró en la Figura 70.



CAPÍTULO V CALCULO DE LOS CIRCUITOS

En este capítulo se presentan los cálculos necesarios para diseñar circuitos oleohidráulicos

industriales. Para realizar estos cálculos se siguieron los parámetros de diseño utilizados en la

construcción de circuitos oleohidráulicos. Los parámetros de diseño son los siguientes:

• Velocidad en la tubería de succión.

60-120 cm/s

• Velocidad en la tubería de retorno.

305-460 cm/s

• Velocidad en línea de presión <21MPa

760-915 cm/s

• Número de Reynolds

2000 según parámetros de diseño europeo

2300 según parámetros de diseño estado unidense

En el diseño del banco simulador se tomo en cuenta que los circuitos a simular en él

deben tener un dimensionamiento y una velocidad de operación tal que faciliten la enseñanza de

los principios de la oleohidráulica. Es por esta razón que en muchos casos las velocidades para

ciertos segmentos del circuito no coinciden con el rango de velocidades de diseño para dicho

segmento. El criterio utilizado para diseñar el banco simulador es conservador (sobre

dimensionado) respecto a los parámetros de diseño estándar para los circuitos oleohidráulicos.

115

Las velocidades con la que los actuadores realizan sus operaciones debe ser baja, de forma

tal que los ciclos tengan un tiempo de duración que facilite las lecturas de los instrumentos de

medición instalados en el banco (Manómetros y caudalímetro).

La bomba para el banco preseleccionada tiene un desplazamiento de 4.00 cm3 por

revolución, y gira a 1750 RPM, entregando un caudal de 1,850 GPM (116.67cm3/s). La tubería

preseleccionada de succión y descarga de la bomba tiene un área transversal de 3,88 cm2 y

0,71cm2 respectivamente.

El cálculo de la velocidad en la tubería de succión del banco se realiza sustituyendo los

valores correspondientes en la ecuación número seis del marco teórico.

scmVsucción 07,30

88,367,116

→=

El valor de la velocidad obtenido para la tubería de succión del banco es inferior al valor

mínimo del rango de velocidades utilizado en los diseños de circuitos oleohidráulicos

industriales.

El cálculo de la velocidad en la tubería de presión del banco se realiza sustituyendo los

valores correspondientes en la ecuación número seis del marco teórico.

scmV esión 32,164

71,067,116

Pr →=

El valor de la velocidad obtenido para la tubería de presión del banco es inferior al valor


industriales. Hay que mencionar que el diseño del banco incluye una reducción del diámetro de la

tubería entre la tubería de presión conectada al puerto de descarga de la bomba y las mangueras

utilizadas para construir los circuitos a simular. Siendo las segundas de un área transversal de

0,355 cm2.

116

El cálculo de la velocidad en las mangueras de presión del banco se realiza sustituyendo

los valores correspondientes en la ecuación número seis del marco teórico.

scmV esión 64,328

355,067,116

Pr →=

El valor de la velocidad obtenido para las mangueras de presión del banco es inferior al valor


industriales.

Las tuberías y mangueras de retorno preseleccionada tiene un área transversal de

0,355 cm2. El cálculo de la velocidad de retorno se realiza sustituyendo los valores

correspondientes en la ecuación número seis del marco teórico.

scmV torno 64,328

355,067,116

Re →=

El valor de la velocidad obtenido para las mangueras y tuberías de retorno del banco está

entre los valores del rango de diseño utilizado en los diseños de circuitos oleohidráulicos

industriales.

A continuación se calcula el número de Reynolds en las tuberías del banco simulador. El

aceite preseleccionado para ser utilizado es un ISO 68, con viscosidad cinemática de 0,68 St.

Puesto que existen dos diámetros de en la línea de presión del banco, se procede a calcular el

número de Reynolds correspondientes para cada diámetro. Primero se calcula el número de

Reynolds en la tubería de área transversal de 0,71cm2, para esto se sustituye los valores

correspondientes en la ecuación número 18 del marco teórico.

46068,0

32,1649,1Re →⋅

=

117

Para el cálculo del número de Reynolds en las mangueras de presión de área transversal

0,355 cm2, se sustituye los valores correspondientes en la ecuación número 18 del marco teórico.

46068,0

64,32895,0Re →⋅

=

Ambos resultados para el número de Reynolds obtenidos están en el rango de valores

utilizados para el diseño de circuitos oleohidráulicos.

A continuación se muestran los cálculos relacionados con los parámetros de operación de

los circuitos ha construir en el banco simulador. Estos cálculos son, velocidad y fuerza producida

en la carrera de extensión y retracción de los cilindros, velocidad de giro y torque producido en el

motor hidráulico.

Para el cálculo de la velocidad de operación de los actuadores lineales se preseleccionó un

cilindro con las siguientes características: 25,4 cm (10 pulg) de carrera, diámetro de de 5 cm (2

pulg), diámetro de vástago de 2,54cm (1 Pulg).

El cálculo de la velocidad del cilindro en la carrera de extensión se realiza sustituyendo

los valores correspondientes en la ecuación número 25 del marco teórico.

scmVCE 94,5

64.1967,116

→=

El cálculo de la velocidad del cilindro en la carrera de retorno se realiza sustituyendo los

valores correspondientes en la ecuación número 27 del marco teórico.

scmVCR 8

)06,564,19(67.116

=−

=

118

El cálculo de la fuerza máxima que puede producir el cilindro en la carrera de extensión

se realiza sustituyendo los valores correspondientes en la ecuación número 26 del marco teórico.

Para este cálculo se preselecciono la presión de regulación a la que trabaja la válvula de alivio del

banco en 3447KPa (500 Psi), siendo esta la presión máxima que alcanzara el cilindro.

NFCE 6770344700000196,0 →⋅=

El cálculo de la fuerza máxima que puede producir el cilindro en la carrera de retorno se realiza

sustituyendo los valores correspondientes en la ecuación número 26 del marco teórico.

NFCR 50323447000)0005,000196,0( →⋅−=

Para el cálculo de la velocidad de giro y torque generado por el actuador rotativo se

preseleccionó un motor hidráulico con un desplazamiento de 10 cm3 por revolución.

El cálculo de la velocidad de giro del motor en ambos sentidos se realiza sustituyendo los

valores correspondientes en la ecuación número 29 del marco teórico.

RPMHzVGM 6966,1110

67,116→→=

El cálculo del torque máximo entregado por el motor hidráulico se realiza sustituyendo

los valores correspondientes en la ecuación número 30 del marco teórico.

mNTM ⋅→⋅= 47,3400001,03447000

Para simular el circuito oleohidráulico de contra-balance es necesario colocar una masa

que trabaje a tracción contra uno de los cilindros con el objetivo de simular una carga. Esta masa

debe vencer la regulación minima que permita la válvula. Existen dos válvula de contra-balance

119

preseleccionada una de cartucho y otra tipo corredera, la primera tiene una regulación minima de

1723KPa (250Psi) y la segunda una regulación minima de 1034KPa (150Psi).

El cálculo de la masa necesaria para vencer la regulación minima de la válvula de contra-

balance de cartucho se realiza sustituyendo los valores correspondientes en la ecuación número

cuatro del marco teórico.

NFm 251500146,017230001 →⋅=

La masa que se necesita para vencer la minima regulación de la válvula de contra-balance

de cartucho es de 256 Kg.

El cálculo de la masa necesaria para vencer la regulación minima de la válvula de contra-

balance tipo corredera se realiza sustituyendo los valores correspondientes en la ecuación número

cuatro del marco teórico.

NFm 150900146,010340002 →⋅=

La masa que se necesita para vencer la minima regulación de la válvula de contra-balance

tipo corredera es de 154 Kg.

Por ultimo se realiza el cálculo de consumo máximo de potencia del banco. El cálculo se

realiza sustituyendo los valores correspondientes en la ecuación número nueve del marco teórico.

HpPHidraulica 54,01714

50085,1→

⋅=

CAPÍTULO VI SELECCIÓN DE COMPONENTES

HIDRÁULICOS

En este capítulo se hace la selección de los componentes hidráulicos necesarios que el

banco simulador de circuitos oleohidráulicos debe tener instalados. La selección de estos

componentes fue hecha por medio de catálogos. Las características mecánicas de los

componentes escogidos se muestran en los anexos. Las especificaciones de los componentes

escogidos incluyen la marca de los mismos y los códigos que los identifican. En la futura

construcción del banco simulador los componentes ha utilizar pueden ser los seleccionados en

este capítulo u otros equivalentes de otras marcas según sea más conveniente para la Universidad.

Los componentes hidráulicos seleccionados para la construcción de los circuitos en el

banco tendrán puertos con un diámetro de 3/8 de pulgadas con rosca tipo NPTF. Esto para

estandarizar las conexiones de los mismos a las mangueras con acoples rápidos. Aquellos

componentes que no estén disponibles con este tipo de puertos serán escogidos aquellos con el

puerto más similar al puerto 3/8 de pulgada rosca NPTF, y por medio de la instalación de

adaptadores en los puertos de estos componentes se garantizara que estos elementos también

puedan ser conectados con las mismas mangueras con la que se conectarán los componentes que

si tengan puertos de 3/8 de pulgadas rosca NPTF.

La selección de ciertos componentes necesito de un análisis, para determinar cual de las

configuraciones disponibles de dichos componentes es la más adecuada para el banco simulador

de circuitos oleohidráulicos. Otros componentes en cambio fueron escogidos solo con el criterio

que sus dimensiones sean compatibles con los demás componentes, principalmente el tamaño de

los puertos para su conexión.

121

6.1 Selección de la bomba.

La bomba seleccionada para el banco es de engranajes debido a que es el modelo que

tiene las características más apropiadas para el banco. La bomba escogida tiene un volumen de

desplazamiento por revolución pequeño, de 4,00 cm3, esto se hizo para tener un caudal y unas

velocidades de operación en los actuadores baja.

El modelo de bomba propuesto para el banco es:

Código: PGP505A0040CJH2XD4D3 (Anexo A.1)

6.2 Selección de válvulas direccionales cuatro vías tres posiciones

La primera válvula seleccionada es la de cuatro vías tres posiciones accionada por palanca

y reposicionada por resortes. En la escogencia de esta válvula se tuvo en cuenta que el centro de

esta válvula debe permitir que los diez circuitos a simular puedan construirse utilizándola. Es por

ellos que el centro escogido para esta válvula es un centro que conecta los puertos “A”, “B” y

retorno a tanque simultáneamente. Este centro permite simular los circuitos con motores

hidráulicos, ya que evita que se produzca el golpe de ariete cuando la válvula es centrada y el

motor esta girando. También es el centro que permite observar el funcionamiento de la válvula de

contra-balance ya que en el caso que la válvula de contra-balance no esté regulada correctamente

para equilibrar el peso muerto de la carga, el centro de la válvula direccional permitirá que la

carga se desplace. En el caso de un centro cerrado para la válvula direccional esto no seria

apreciable ya que el centro cerrado equilibraría la carga. Esto sucedería en el banco puesto que

las cargas usadas son pequeñas.

El modelo de válvula direccional manual cuatro vías tres posiciones accionada por

palanca y reposicionada por resorte propuesto para el banco es:

Código: D1VL004CN (Anexo A.2)

La segunda válvula escogida es la válvula direccional eléctrica cuatro vías tres posiciones

accionada por solenoides y reposicionada por resortes. Para la simulación de las prácticas de

control el banco debe tener dos válvulas de este tipo. La primera se nombra válvula direccional

eléctrica número uno y la segunda válvula eléctrica número dos. Para la escogencia de estas

122

válvulas se tuvo en cuenta la selección de un centro apropiado para que todos los circuitos se

puedan construir utilizándolas. Para tener mayor variedad de componentes se selecciono un

centro distinto para cada una de estas válvulas. Siendo la válvula direccional eléctrica número

uno un centro cerrado y para la válvula direccional eléctrica número dos un centro que conecte

los puertos “A”, “B” y tanque simultáneamente.

Los modelo de válvula direccional cuatro vías tres posiciones accionada por solenoide

reposicionada por resorte propuestos para el banco son:

Código: D1VW001CNJP válvula direccional eléctrica Nº 1 (Anexos A.3)

D1VW004CNJP válvula direccional eléctrica Nº 2 (Anexos A.3)

Las válvulas direccionales seleccionadas (manual y eléctrica) requieren de sub-bases para

su instalación. La sub-base recomendada para éstas es:

Código: SPD23NA (Anexos A.4)

6.3 Selección de actuadores lineales y rotativos

Las dimensiones de los cilindros seleccionados se escogieron de forma tal que estos

tuvieran un recorrido largo, un diámetro suficientemente grande para producir un volumen

adecuado para que el cilindro realice sus carreras de extensión y retracción a una velocidad lenta.

Otros parámetros que influyeron en el dimensionamiento de los cilindros fue la necesidad de

construir el circuito regenerativo, el cual requiere de un cilindro con un diámetro de vástago que

sea la mitad del diámetro del pistón. Adicional a esto se necesita un cilindro con el mayor

diámetro de vástago posible para disminuir la masa necesaria para generar presión en la línea que

conecta el cilindro con la válvula de contra-balance. Por esta razón los dos cilindros

seleccionados tienen una relación de áreas de dos a uno.

Los modelos propuestos de cilindros para el banco son:

Código: 2CC3LCU34AC10 (Anexos A.5)

123

El quinto componente seleccionado es el actuador rotativo. Las dimensiones del motor

hidráulico seleccionado se hicieron considerando que este debe tener un volumen por cada

revolución superior al de la bomba. Esto con el objetivo de tener una velocidad de giro baja y un

torque alto. La bomba propuesta tiene 10 cm3 de desplazamiento.

El modelo propuesto de motor hidráulico para el banco es:

Código: PGM505A0100BJ1H2XD2D2 (Anexos A.1)

6.4 Selección de válvulas direccionales dos vías dos posiciones.

Las válvulas dos vías dos posiciones seleccionadas para el banco son accionadas por

solenoides, reposicionadas por resorte del tipo cartucho. El banco requiere de la instalación de

dos válvulas de este tipo, una normalmente abierta y otra normalmente cerrada.

Los modelos propuestos de válvulas direccionales dos vías dos posiciones accionadas por

solenoide reposicionada por resorte propuestas para el banco son marca Parker.

Códigos: DSL102CD024LDGP válvula direccional eléctrica Nº 3 (Anexos A.6)

DSL102ND024LDGP válvula direccional eléctrica Nº 4 (anexos A.6)

Las válvulas direccionales Nº 3 y Nº 4 seleccionadas requieren de sub-bases para su

instalación. La sub-base recomendada para éstas es:

Código: B1026P (Anexos A.7)

La otra válvula dos vías dos posiciones que el banco necesita es una accionada por leva y

reposicionada por resortes normalmente abierta. El modelo propuesto para esta válvula es marca

Parker.

Código: DS600S (Anexos A.8)

6.5 Selección de válvulas reguladoras de caudal

Las válvulas reguladoras de caudal seleccionadas para el banco son de dos tipos, de

presión compensada y de presión no compensada.

124

Los modelos propuestos de válvulas reguladoras de caudal para el banco son:

Código: F600S válvula reguladora de caudal no compensada (Anexos A.9)

PCM600S válvula reguladora de caudal compensada (Anexos A.10)

Otras válvulas reguladoras de caudal propuestas para el banco son del tipo cartucho. Los

modelos propuestos de válvulas reguladores de caudal del tipo cartucho son:

Código: FV102K6P válvula reguladora de caudal no compensada (Anexos A.11)

FC101K3006P válvula reguladora de caudal compensada (Anexos A.12)

Las válvulas reguladoras de caudal tipo cartucho seleccionadas requieren de sub-bases

para su instalación. La sub-base recomendada para éstas es:

Código: B1026P (Anexos A.7)

6.6 Selección de válvulas de control de presión: Válvula de contra-balance, válvula

reductora de presión y válvula de secuencia.

Para estas válvulas también se hizo dos propuestas, válvulas tipo correderas y válvulas

tipo cartucho.

Los modelos propuestos de válvulas de control de presión tipo corredera para el banco:

Códigos: PRC3MM válvula reductora de presión (Anexos A.13)

BC3MB válvula de contra-balance (Anexos A.14)

SC3MB válvula de secuencia (Anexos A.15)

Las válvulas de control de presión tipo corredera seleccionadas requieren de sub-bases

para su instalación. La sub-base recomendada para éstas es:

Código: SPP3M3 (Anexos A.16)

Los modelos de válvulas de control de presión tipo cartucho propuestos para el banco son:

Códigos: PRCH101S106T válvula reductora de presión (Anexos A.17)

SVCH101S106T válvula de secuencia (Anexos A.18)

MHB015LAAC51 válvula de contra-balance (Anexos A.19)

125

6.7 Selección de válvula de freno para el motor hidráulico.

El modelo de válvula de freno tipo cartucho propuesto para el banco es:

Código: MMB015DAMH53 (Anexos A.20)

6.8 Selección de los conectores y adaptadores para los elementos del banco.

Los modelos de conectores y adaptadores propuestos para el banco son:

Códigos: 10-3/8 F5OG adaptador macho-hembra rosca SAE-NPTF (Anexos A.21)

3/8 FF adaptador macho-macho rosca NPTF (Anexos A.22)

3/8 CR codo acoplador macho-macho rosca NPTF (Anexos A.23)

6-3/8 F5OG adaptador macho-hembra rosca SAE-NPTF (Anexos A.21)

4-6 F5OG5 adaptador macho-hembra rosca SAE-SAE (Anexos A.24)

3/8 CD adaptador macho-hembra rosca NPTF-NPTF (Anexos A.25)

6.9 Selección de los conectores rápidos (quick-coupling).

Los modelos de conectores rápidos propuestos para el banco son:

Códigos: BH3-61 Nipple, hembra rosca NPTF (Anexos A.26)

BH3-60 acoplador, hembra rosca NPTF (Anexos A.26)

6.10 Selección de mangueras

Los modelos de manguera propuestos para el banco son:

Código: 601-6

La manguera necesita de un adaptador que permita que la pieza BH3-60 sea enroscada en

ella. El modelo escogido para esta pieza es.

Código: 10125-6-6B-VS

6.11Selección de instrumentos de medición para el banco (caudalímetro y manómetros)

Los instrumentos de medición a instalar en el banco deben cumplir con las siguientes

especificaciones. El caudalímetro tiene que tener un rango de medición que abarque los siete

litros por minuto de caudal. El manómetro debe tener un rango de medición que abarque los

126

500Psi. La conexión de estos elementos debe ser compatible con los demás componentes del

banco.

Los demás componentes necesarios para el banco se mencionaran a continuación:

o Manifold.

o Válvulas bolas (2).

o Válvula de aireación.

o Estante o gabinete.

o Tanque de aceite.

o Tuberías de succión, descarga y retorno.

o Medidor de vacío.

o Codos y uniones “T”.

o Motor eléctrico de 1 Hp con velocidad de giro de 1750 RPM.

CAPÍTULO VII SELECCIÓN DE COMPONENTES

DE CONTROL

En este capítulo se dan los parámetros de operación y características necesarias que tienen

que tener los componentes eléctricos a instalar en el banco simulador de circuitos oleohidráulicos

para que éste pueda realizar las prácticas de control eléctrico.

El primer componente es el controlador lógico programable (PLC). Para seleccionar este

componente primero se necesita conocer ciertas características del sistema que se desea

automatizar. Estas características son:

• Tipo de señales que recibirá el PLC, digitales o analógicas.

• Número de señales de entrada que se necesita recibir el PLC.

• Número de señales de salida que se necesita mandar el PLC.

• Voltaje que necesitan en las señales de salida.

• Tipo de conexión de los cables eléctricos.

Por medio de la simulación de las prácticas de control con PLC, y por las curvas

características de los componentes que estarán conectados al PLC se pudo obtener la información

antes mencionada. En consecuencia el PLC a instalar en el banco debe cumplir con los siguientes

requerimientos:

• Nueve entradas digitales.

• Cuatro salidas digitales.

• Tener fuente propia capas de generar una corriente de salida de 1,5 Amp y 24VDC.

• Las entradas y salidas deben ser de puertos para cables eléctricos tipo banana.

128

El dispositivo de PLC a escoger debe tener esas características u otras superiores a las

mencionadas.

Para realizar las prácticas de control con Relés es necesario dotar al banco con seis relés

con las siguientes características.

• Electromagnéticos.

• 24 Voltios DC.

• Tres puertos normalmente abiertos y normalmente cerrados

• Las entradas y salidas deben ser de puertos para cables eléctricos tipo banana.

Es necesario instalar una fuente de potencia eléctrica para que esta de la energía a los

relés, dicha fuente de potencia debe ser de 24 VDC y 10 Amp.

La activación de las funciones de control (Fig.42) requiere de cinco pulsadores, con

puertos para cables eléctricos tipo banana. Para facilitar la construcción de los circuitos eléctricos

se requiere de una regleta de 10 puertos, los cuales deben ser para cables eléctricos tipo banana.

Por último el banco necesita de cinco sensores de final de carrera eléctricos, con tres

puertos; el normalmente abierto, el neutro, y el normalmente cerrado. Los puertos de estos

sensores deben permitir la conexión de cables eléctricos tipo banana.

CAPÍTULO VIII PLANOS DEL BANCO

Este capítulo muestra los planos que definen la propuesta del banco simulador de circuitos

oleohidráulicos.

Los primeros planos del capítulo se muestran el diseño de la estructura que soportara los

componentes hidráulicos, eléctricos y electrónicos del banco. Ésta se diseñó considerando las

premisas que establecen que; el banco debe ser robusto, transportable y ergonómico. Para el

diseño propuesto se seleccionó materiales que permiten realizar un ensamble de la estructura sin

la necesidad de herramientas complejas, esto permite que la estructura del banco sea fácil de

armar y desarmar. La propuesta de diseño estructural del banco se muestra en los planos que van

del número uno al número cuatro.

Los planos que van del número cinco al número 21 muestran los ensambles de los

componentes hidráulicos. Estos ensambles incluyen: válvula, sub-base (donde sea necesario),

acopladores y conectores rápidos o nipples. Todos los ensambles propuestos para los

componentes hidráulicos del banco están diseñados para que sean compatibles con manqueras de

diámetro de 3/8 de pulgada.

Los planos comprendidos entre los números 22 y 26 muestran las distribuciones de los

componentes oleohidráulicos propuestas para la parrilla de trabajo. Estos planos señalan la

ubicación para cada componente hidráulico en la parrilla donde se construirán los circuitos

oleohidráulicos. Se realizaron tres propuestas, dos con válvulas tipo cartucho y una con válvulas

tipo corredera. Hay que mencionar que las sub-bases para las válvulas tipo corredera disponible

en los catálogos tienen los puertos de salida en la parte inferior, lo cual dificulta la construcción

de los circuitos oleohidráulicos, ya que las mangueras tendrían que ser conectadas a dichas

130

sub-bases por el lado de atrás de la parrilla ó hacer un arreglo adicional con acopladores para que

los puertos de salida de estas sub-bases sean accesibles desde el frente de la parrilla. Por su parte

las diferencian entre las propuestas para la distribuciones de los componentes oleohidráulicos

utilizando válvulas tipo cartucho radica en una mejora en la ubicación de los componentes, lo

cual disminuye la longitud que necesitan tener las mangueras para armar las prácticas de

laboratorio, siendo la segunda propuestas (plano 24) una mejora en ubicación de componentes de

la primera propuesta (plano 22).

El plano número 27 muestra la estructura auxiliar que el banco necesita para soportar las

pesas que simularán el peso muerto en los circuitos donde se utilice la válvula de contra-balance.

El plano número 28 contiene el modelo propuesto para el sistema de alimentación ó

circuito primario del banco (parte inferior del banco). Este circuito está diseñado con tuberías.

Por último se muestra el plano número 29 donde se puede observar el banco simulador de

circuitos oleohidráulicos totalmente ensamblado. Este ensamble fue realizado con la propuesta

número 2 de la parrilla de trabajo con válvulas de cartucho.

Las dimensiones de la estructura del banco, planchas y estructura auxiliar están mostradas

en milímetros, las cuales pueden estar sujetas a cambios. Las medidas de los componentes

oleohidráulicos empleados aparecen en los anexos, junto con los planos del fabricante.

CAPÍTULO IX

CIRCUITO OLEOHIDRÁULICO PARA EL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN

En este capítulo se muestra el sistema oleohidráulico propuesto para el sistema de

alimentación del banco de circuitos oleohidráulicos. El circuito oleohidráulico para esta parte se

denomina circuito primario, éste siempre estará conectado y los interruptores que lo accionan

deben estar separados de los interruptores de los circuitos oleohidráulicos de la parrilla de

trabajo.

Este circuito oleohidráulico debe garantizar que el arranque del motor eléctrico sea

realizado de manera suave. Para esto el sistema tiene que tener la opción de venting, que es la

manera como se conoce al proceso en el cual la bomba descarga su caudal a tanque a una presión

mucho menor que la presión máxima de regulación de la válvula de alivio. Esto permite

disminuir el torque necesario que la bomba debe aplicar en el arranque, lo cual es la condición de

arranque ideal para una bomba de desplazamiento positivo.

El circuito requiere de una válvula de alivio con opción de venting, la cual tendrá dos

presiones de regulación, una baja (25Psi aproximadamente) y una alta (500Psi). El circuito con la

válvula de alivio con la opción de venting se muestra en la Figura 73.

Las opciones (Fig. 74) de control que el circuito oleohidráulico debe tener son las

siguientes:

• Arranque: Enciende el motor eléctrico que esta permanentemente acoplado a la bomba.

En el arranque la válvula de alivio debe estar funcionando con la opción de venting, lo

cual garantiza que la presión en el sistema no sea superior a los 25 Psi.

168

• Acople: Esta opción permite cambiar la configuración de funcionamiento de la válvula de

alivio de venting a normal. Esto hará que el circuito hidráulico primario pueda alcanzar la

presión de 500Psi. Para realizar las prácticas de laboratorio es necesario que la función

Acople haya sido activada, de lo contrario los circuitos hidráulicos secundarios no tendrán

suficiente potencia para realizar dichas prácticas.

• Desacople: Esta función permite cambiar la configuración de funcionamiento de la

válvula de alivio de normal a venting. Esta función debe activarse cuando se requiera

cambiar el circuito hidráulico instalado en la parrilla de trabajo por otro. Este

procedimiento permitirá disminuir el consumo de energía eléctrica del banco.

• Apagado: Esta función es la encargada de apagar el motor eléctrico, y debe ser usada una

vez terminado de hacer las prácticas.

Figura 73. Circuito oleohidráulico primario.

Fuente: Propia

164

Figura 74. Opciones de control del circuito primario.

Fuente: Propia

El problema que se presenta con el circuito oleohidráulico primario propuesto para el

banco es la necesidad de tener una válvula alivio con opción de venting que maneje caudales

pequeños, acordes con el caudal de la bomba propuesta para el banco. Siendo el caudal

entregado por la bomba de 1,85 GPM, y la válvula de alivio con opción de venting más pequeña

disponible en los catálogos de 40 GPM (modelo: R6P2JPLM).

Ésta incompatibilidad dimensional entre la válvula de alivio con opción venting y el

caudal de la bomba dificulta la construcción de el circuito primario propuesto. Para solucionar

este problema se propone un circuito oleohidráulico primario alterno, que puede realizar las

mismas funciones de control ya mencionadas y mostradas en la Figura 74.

El segundo circuito primario propuesto se muestra en la Figura 75. Este circuito incluye

una válvula direccional dos vías dos posiciones normalmente abierta accionada por solenoide

reposicionada por resorte, y sustituye la válvula de alivio con opción venting, por una válvula de

alivio con una sola presión de de regulación, (normal). Esta nueva configuración permite producir

la opción de venting al mantener la válvula direccional abierta descargando todo el caudal de la

165

bomba a tanque, mientras que al cerrar la válvula direccional la presión del circuito pasa hacer el

valor para el cual está regulada la válvula de alivio.

La opción de circuito primario recomendada es la primera, mientras que la segunda solo

debería instalarse en el caso de no conseguir una válvula de alivio con venting con las

dimensiones adecuadas para el banco.

Figura 75. Circuito oleohidráulico primario, segunda propuesta

Fuente: propia

Una tercera opción para el circuito primario se muestra en la Figura 76. En esta nueva

configuración la válvula direccional eléctrica dos vías dos posiciones eliminada, y la válvula de

seguridad es pilotada por una válvula de descarga variable que puede ser manipulada de forma

manual.. Este circuito también permite la operación del sistema de alimentación del banco de

166

manera correcta, con la diferencia que la opción de venting, y acople, ahora es controlada de

manera manual. Uno de los requerimientos para el montaje de este circuito es que la válvula de

seguridad, debe estar instalada de manera accesible para el operador, de modo que la pueda

manipular fácilmente.

Figura 76. Circuito oleohidráulico primario, tercera propuesta

Fuente: propia

CAPÍTULO X ESTIMACIÓN DE PRECIOS

En este capítulo se realizo un estimado de los precios de los componentes necesarios para

el banco. Estos precios son obtenidos directamente de la empresa fabricante, Parker Hannifin y

los mismos son referenciales. Los precios que la empresa coloco a cada componente no incluyen

el costo de importación, es por ello que en el total, se multiplica la suma de todos los

componentes hidráulicos por un factor de 1,35 y para los componentes estructurales 1,5. Estos

últimos tienen un factor mayor puesto que son fabricados en Europa, mientras que los primeros

en Estados Unidos. La lista de los precios se de cada componente se muestran en las tablas tres,

cuatro y cinco. Es necesario mencionar que la importación de todos estos componentes es

restringida por el Ministerio del Poder Popular de industrias ligeras y comercio (MILCO) lo cual

dificulta la obtención de dólares a precio preferencial para su compra.

El precio aproximado de los componentes hidráulicos para la versión del banco con

válvulas de corredera s encuentra en la Tabla uno.

Banco con válvulas tipo corredera

Multiplicado por 1,35

Precio en Bs.F (cambio oficial)

$13199 $17819 40092

Tabla 1. Precio del banco con válvulas de cartucho

El precio aproximado de los componentes hidráulicos para la versión del banco con

válvulas tipo cartucho se encuentra en la Tabla dos.

Banco con

válvulas tipo cartucho


Precio en Bs.F (Cambio oficial)

$10199 $14279 32128

Tabla 2. Precio del banco con válvulas tipo corredera

168

El precio aproximado para la estructura propuesta para el banco se encuentra en la Tabla

tres.

Estructura del banco


Precio en Bs.F (cambio oficial)

$3445 $5167 11625Tabla 3. Precio de la estructura del banco.

PIEZA CODIGO PRECIO USD Cantidad Total

Conectores 10-3/8 F5OG $5,00 2 10Conectores 3/8 FF $1,20 4 4,8Conectores 3/8 CR $3,00 50 150Conectores 6-3/8 F5OG $5,00 6 30Conectores 4-6 F5OG5 $5,00 2 10Conectores 3/8 CD $4,50 6 27Quick coupling BH3-61 $1,70 54 91,8Quick coupling BH3-60 $1,70 40 68Manguera 601-6 (45cm) 1.6 $/ft 10 38Manguera 601-6 (150cm) 1.6 $/ft 10 80Conector 10125-6-6B-VS $8,00 40 320

Tabla 4. Lista de precios de los conectores hidráulicos.

PIEZA CODIGO PRECIO Cantidad total Perfil 1 ESL4040 (2300mm) $75,00 4 300Perfil 2 ESL4040 (1000mm) $32,00 7 224Perfil 3 ESL4040 (1700mm) $55,00 3 165Perfil 4 ESL4040 (850mm) $28,00 2 56Apoyos 45º ESS2450 $50,00 4 200Rueda movil ESA0077 $50,00 2 100Rueda rigida ESA0078 $50,00 2 100Base para ruedas ESA0090 $50,00 4 200Juntas ESG8040 $50,00 42 2100

Tabla 5. Lista de precios de los componentes estructurales

169

PIEZA CODIGO PRECIO USD Cantidad Total

Bomba PGP505A0040CJH2XD4D3 $200,00 1 200Válvula D.manual D1VL004CN $320,00 1 320Válvula D.eléctrica 1 D1VW001CNJP $250,00 1 250Válvula D.eléctrica 2 D1VW004CNJP $250,00 1 250Sub-base 1 SPD23NA $75,00 3 225Cilindro 2CC3LCU34AC10 $1.500,00 2 3000Motor hidráulico PGM505A0100BJ1H2XD2D2 $150,00 1 150Válvula D.eléctrica 3 DSL102CD024LDGP $50,00 1 50Válvula D.eléctrica 4 DSL102ND024LDGP $50,00 1 50Sub-base 2 B10-2-6P $40,00 4 160Válvula de leva DS600S $1.200,00 1 1200Válvula reguladora no compensada FV102K6P $60,00 1 60

Válvula reguladora compensada FC101K3006P $115,00 1 115

Válvula reductora de presión C PRC3MM $1.600,00 1 1600

Válvula de contra-balance C BC3MB $1.800,00 1 1800

Válvula de secuencia C SC3MB $360,00 1 360

Sub-base 3 corredera SPP3M3 $360,00 3 1080Válvula reductora de presion cartucho PRCH101S106T $170,00 1 170Válvula de contra-balance Cartucho MHB015LAAC51 $1.500,00 1 1500

Válvula de secuencia Cartucho SVCH101S106T $170,00 1 170Válvula de freno MMB015DAMH53 $1.500,00 1 1500

Tabla 6. Lista de precios de los componentes hidráulicos.

Los precios suministrados por la empresa, son el precio de cotización en los países de

origen, (Estados Unidos y Europa). En las tablas uno, dos y tres, se hizo las correcciones

necesarias para obtener el estimado de esos productos en Venezuela. Para obtener el precio real

de estos productos en el país es necesario hacer la cotización en los distribuidores de estos

componentes directamente.

CAPÍTULO XI CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Conclusiones

• Este trabajo muestra una propuesta de banco simulador de circuitos oleohidráulicos que

cumple con la necesidad de llevar los conceptos teóricos dictados en clase a la práctica,

facilitando así la comprensión de los circuitos de potencia hidráulicos.

• El modelo de banco diseñado permite simular los diez circuitos oleohidráulicos

seleccionados en este trabajo, junto con las prácticas de laboratorios asociadas con cada

circuito. El banco además permite realizar un número mayor de prácticas de laboratorio

adicionales a las planteadas en este trabajo.

• Los dos modelos de parrillas de trabajo propuesto con válvulas de cartucho permiten la

construcción de los circuitos oleohidráulicos. Siendo la segunda propuesta (Plano 24) más

recomendada puesto que su distribución permite utilizar mangueras más cortas, los

instrumentos de medición están mejor distribuidos, el cilindro 2 y el motor hidráulico son

más accesible para la conexión de una carga,

• El modelo de parrilla propuesto con válvula de corredera funciona igual que las

propuestas con válvulas de cartucho siempre y cuando se logre seleccionar una sub-base

para estas válvulas con puertos de salida ubicado a los lados, que permita la conexión

desde el frente de la válvula sin la necesidad de realizar un arreglo de conexiones en

forma de “U”.

• Los dos modelos de circuitos oleohidráulicos propuestos para el sistema de alimentación

cumple con las necesidades de arranque suave del motor eléctrico, además de permitir el

funcionamiento del banco de forma eficiente en cuanto a consumo de potencia eléctrica.

171

El circuito idóneo para el banco es el mostrado en la Figura 73, siempre y cuando se

consiga una válvula de seguridad con opción para Venting que maneje un caudal de 2

gpm. Para el circuito hidráulico secundario, mostrado en la Figura 75, sí están disponibles

todos los componentes para su construcción.

• Todos los componentes hidráulicos seleccionados para la parrilla de trabajo cuentan con

los acoples y adaptadores necesarios para que todos sean compatibles con las mangueras

de 3/8 de pulgadas, y sus conexiones sean rápidas.

• La forma propuesta para la estructura del banco permite armar los circuitos hidráulicos y

eléctricos en planchas distintas, lo que permite evitar que el aceite entre en contacto con

los componentes eléctricos.

• El diseño del banco permite que los circuitos hidráulicos que utilicen dos cilindros puedan

ser construidos utilizando diferente configuración de componentes hidráulicos. Lo cual

permite observar como es posible diseñar circuitos oleohidráulicos que realicen las

mismas tareas con distintos diseños.

• La simulación de las prácticas manuales, eléctricas (PLC y relé) con el uso del simulador

virtual (Software) presentadas en este trabajo, permite al operador y los usuarios del

banco familiarizarse con las prácticas de laboratorio antes de realizar las mismos en el

simulador real.

• Las dos válvulas direccionales cuatro vías, tres posiciones accionadas por solenoides

propuestas para el banco, tienen conexiones de centro diferentes. Esto permite diseñar

prácticas de laboratorio donde se pueda mostrar como un circuito hidráulica puede variar

su funcionamiento por la selección de una válvula direccional con determinado tipo de

conexiones centrales.

172

Recomendaciones

• Es necesario realizar un montaje eléctrico en las válvulas direccionales eléctricas, que

permita que los solenoides de éstas sean conectados a la fuente eléctrica por medio de

cables tipo banana.

• En la plancha dos, donde se van a construir los circuitos eléctricos de control, se

recomienda usar una parrilla con orificios y a los componentes que van a ser colocados en

ella instalarle una base con patas, que permitan que los componentes queden bien sujetos

a la estructura.

• Diseñar una estructura que permita colocar las mangueras del banco, de forma que éstas

no ocupen espacio en el estante, y sea mas fácil el acceso a ellas a la hora de construir los

circuitos hidráulicos.

• Colocar una malla absorbente en la plancha que esta debajo de la parrilla donde se

construirán los circuitos hidráulicos para absorber las posibles fugas de aceite.

• Se recomienda seguir con la fase siguiente del proyecto, que es la construcción del banco,

para que la Universidad pueda contar lo más pronto posible con un equipo que le permita

realizar prácticas de laboratorios relacionadas con la oleohidráulica.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFIACAS

Eugene A. Avallone, Theodore Baumeister III “Manual del inegeniero mecánico” Novena

edición. Editorial McGraw Hill.

Joaquín Santos, Apuntes de la materia “sistemas de control hidráulico” PS4321, dictada en el

período Abril-julio 2007.

Omar Pérez “Controladores lógicos programables” PS5315, dictada en el período Septiembre-

Diciembre del 2007.

Parker Hannifin, Scharder Bellows “Hidráulica industrial”, Primera edición U.A.M

Azacapotzalco, pp. 12 (1995).

Potter Merle C., David C. Wiggert, “Mecánica de fluidos”, Segunda edición. Editorial Prentice

Hall, (1997).

Streeter Víctor L., E Benjamin Wyle, Keith W. Bedford, “Mecánica de fluidos”, Novena edición,

McGraw Hill, pp. 8 (2001).

Vickers Sperry, “Manual de oleohidráulica industrial” Segunda edición, Editorial Blume,

(1981).

Gustavo Rodríguez “Automatización neumática” MC4169 dictada en el período Abril-Julio 2007

174

Catálogos

ParFrame Structural Framing System (2000) Catalog 1815-1/USA, Ohio USA.

Parker Hannifin (2000) Industrial Hidraulic solutions guide, Ohio USA

Parker Hannifin (2000) Quick coupling products, Catalog 3800 USA, Ohio.

Parker Hannifin (2000) Hose, Fitting, and equipament Catalog 4400 USA, Ohio

Parker Hannifin (2000) PGP 500 Series Catalog 4400 USA, Ohio.

175

ANEXOS

176

Figura A.1 Hoja de selección de bomba y motor hidráulico

Fuente: Guía de soluciones hidráulicas industriales, Parker.

177

Figura A.2a Hoja de selección de válvula direccional manual


178

Figura A.2b Dimensiones de válvulas direccional manual


179

Figura A.3a Hoja de selección de válvulas direccionales eléctricas


180

Figura A.3b Hoja de selección de válvulas direccionales eléctricas.


181

Figura A.3c Dimensiones de válvulas direccionales eléctricas.


182

Figura A.4a Hoja de selección de sub-bases para válvulas direccionales.

Fuente: Guía de soluciones hidráulicas industriales, Parker

183

Figura A.4b Dimensiones de la sub-base para válvulas direccionales


Figura A.5a Dimensiones del cilindro.


184

Figura A.5b Dimensiones de la rosca del vástago del cilindro.


Figura A.5c Esquema del cilindro


Figura A.5d Esquema de la rosca del vástago.


185

Figura A.5e Hoja de selección del cilindro.


186

Figura A.6 Hoja de selección de válvulas direccional eléctricas

2 vías, 2 posiciones.


187

Figura A.7 Hoja de selección de sub-base para válvulas de cartucho.


188

Figura A.8a Hoja de selección de válvula accionada por leva.


189

Figura A.8b Dimensiones de la válvula accionada por leva.


190

Figura A.9a Hoja de selección de válvula reguladora de caudal.


191

Figura A.9b Dimensiones de válvula reguladora de caudal.


192

Figura A.10a Hoja de selección de válvula reguladora de caudal con presión compensada.


193

Figura A.10b Dimensiones de válvula reguladora de caudal con presión compensada.


194

Figura A.11 Hoja de selección de la válvula reguladora de caudal tipo cartucho.


195

Figura A.12 Hoja de selección de la válvula reguladora de caudal tipo cartucho.

Con presión compensada


196

Figura A.13a hoja de selección de válvula reductora de presión.


197

Figura A.13b Dimensiones de válvula reductora de presión.


198

Figura A.14a Hoja de selección de válvula de contra balance.


199

Figura A.14b Dimensiones de válvula de contra balance.


200

Figura A.15a Hoja de selección de válvula de secuencia.


201

Figura A.15b Dimensiones de válvula de secuencia.


202

Figura A.16a Hoja de selección de sub-base para válvulas de control de presión

Tipo corredera.


203

Figura A.16b Dimensiones de sub-base para válvulas de control de presión.


204

Figura A.17 Hoja de selección de válvula reductora de presión tipo cartucho


205

Figura A.18 Hoja de selección de válvula de secuencia tipo cartucho


206

Figura A.19 hoja de selección de válvula de contra balance tipo cartucho.


207

Figura A.20 Hoja de selección de válvula de freno tipo cartucho.


208

Figura A.21 Selección de adaptador macho-hembra (SAE-NPTF)


209

Figura A.22 Adaptador macho-macho (NPTF)


Figura A.23 Codo acoplador macho-maccho (SAE-NPTF)


210

Figura A.24 Adaptador macho-hembra (SAE)


Figura A.25 Adaptador macho-hembra (NPTF)


211

Figura A.26 Acoplador rápido


Figura A.27 Base del acoplador rápido.


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