CAPITULO 7 VÁLVULAS DE PRESIÓN La identificación de válvulas de presión se da a todas aquellas válvulas que influyen sobre la presión del sistema bien sea en todo el circuito o en parte de él. Para cumplir dicha función se utiliza el principio de estrangulamiento del fluido de trabajo, esto se logra por medio de elementos de ajuste mecánico, hidráulico, neumático o eléctrico. De acuerdo a la parte constructiva y al nivel de estanqueidad que se quiera obtener se encuentran diferentes versiones de estas válvulas, las principales son las del tipo corredera y de asiento. La clasificación más importante de las válvulas de presión, se da por la función que cumplen en el circuito, se pueden entonces especificar cuatro grupos principales • • • •
Válvulas limitadoras de presión Válvulas de secuencia Válvulas de desconexión por presión Válvulas reductoras de presión
En cuanto a la parte de accionamiento cualquiera de los cuatro grupos anteriores puede ser activado por mando de accionamiento directo o por medio de sistemas precomandados o de acción a distancia Válvulas limitadoras de presión: Como su nombre lo indica, este tipo de válvula es la encargada de limitar la presión de funcionamiento del sistema
Figura 1. Circuito hidráulico con válvula limitadora de presión Cuando el caudal que exige el consumidor es menor que el suministrado por la bomba, se alcanza rápidamente el valor máximo de presión en el circuito, para evitar que dicha presión continúe incrementándose, la válvula limitadora envía el excedente de caudal producido por la bomba al tanque o depósito de la instalación.
Para cumplir su función, se diseña la válvula para generar una relación de fuerzas, entre el sistema de calibración de la presión de servicio esperada y la presión real medida directamente por la acción del fluido.
Figura 2. Sistema de fuerzas en válvula limitadora de presión tipo asiento 𝑝𝐸 ∗ 𝐴1 = 𝐹ℎ = 𝐹𝐹 + 𝑝𝐴 ∗ 𝐴2 Estableciendo las condiciones de equilibrio, la fuerza generada por el fluido hidráulico 𝐹ℎ debe ser igual a la fuerza generada por el resorte más la fuerza generada por el fluido de la cámara superior actuando sobre el área superior del cono 𝐴2
Figura 3. Válvula limitadora de presión tipo corredera Cuando la fuerza generada por el fluido 𝐹ℎ es inferior a la fuerza generada por el resorte 𝐹𝐹 más la del fluido ubicado en la parte superior no es permitido el paso del aceite al tanque, esto debido a que es mayor el caudal solicitado por el actuador que el enviado por la bomba. Si la demanda del actuador disminuye y el caudal suministrado por la bomba es mayor, la fuerza generada por el fluido es mayor a la del resorte y el fluido hidráulico ubicado en la parte superior de la válvula, se abre el cono de mando o se desplaza la corredera permitiendo el descargue del aceite a tanque. Este proceso genera calentamiento del aceite, toda la potencia hidráulica se convierte en calor, la peor condición se presenta cuando el actuador para y no demanda caudal lo que obliga a todo el aceite enviado por la bomba a pasar por la válvula limitadora de presión, el calor generado se calcula con la expresión 𝑊 = ∆𝑝 ∗ 𝑄 ∗ 𝑡
El análisis anterior de las fuerzas que se desarrollan al interior de una válvula de alivio no contempla el análisis dinámico. A grandes rasgos una válvula limitadora de presión es un sistema masa-resorte, el cual ante una carga o perturbación externa presenta una respuesta oscilatoria alrededor del valor calibrado.
Figura 4. Tobera y tolerancia de mecanizado para disminuir las oscilaciones de la válvula limitadora de presión Para que este proceso no afecte el funcionamiento de la válvula, se deben limitar la amplitud y la frecuencia de la oscilación, desde el punto de vista constructivo se pueden generar varios sistemas para disminuir las oscilaciones en la válvula • Tobera de restricción o pistón amortiguador para evitar la fluctuación de la presión en el sistema de apertura de la válvula • Pistón de accionamiento acoplado directamente al mecanismo de sello de la válvula, el pistón debe presentar una tolerancia, que permita el paso suave del aceite al otro lado de la recamara, generándose un proceso de amortiguamiento viscoso Uno de los tipos más comunes de válvulas limitadoras de presión son las de mando directo, en ellas la calibración de la presión de alivio se realiza únicamente por la tensión realizada sobre el resorte de mando (3).
Figura 5. Válvula limitadora de presión de mando directo
Esta acción se realiza con el mando externo (4 y 2), el sello se presenta entre el cono con pistón amortiguador (5) y un asiento templado (6) donde ajusta el cono. Si se quiere aumentar el valor de la presión de alivio, se debe incrementar el ajuste sobre el resorte con ayuda del sistema de mando externo con lo que se logra mayor ajuste entre el cono y el asiento de la válvula si la presión del sistema logra separar el cono del asiento parte del aceite se descarga al tanque, esta acción continua hasta que la presión del sistema disminuya y el cono nuevamente selle el paso al depósito del aceite Válvulas limitadoras de presión precomandadas: Al aumentar el tamaño de la instalación hidráulica y por lo tanto los caudales que deben suministrarse. Se necesitan válvulas limitadoras de presión de mayor tamaño donde se deben generar grandes niveles de fuerza, lo que imposibilita que esta acción sea realizada por válvulas accionadas directamente. Para ello se diseñan sistemas de amplificación de las fuerzas generadas al interior de la válvula generalmente con la ayuda de la misma señal de presión utilizada como pilotaje para la válvula de premando
Figura 6. Símbolos para válvula limitadora de presión de mando directo y precomandada Se fabrican dos tipos principales de válvulas limitadoras de presión precomandadas, la primera versión utiliza una válvula de mando directo sobre un bloque de mayor tamaño utilizado para impedir o permitir que el flujo de aceite suministrado por la bomba sea enviado a tanque. El segundo tipo utiliza una válvula direccional para controlar la presión piloto que gobierna el bloque de potencia de la válvula.
Figura 7. Válvula limitadora de presión precomandada por válvula limitadora de acción directa En la figura se observa que el caudal principal proveniente de la bomba se conecta al puerto A, pero no se puede comunicar a tanque debido a la fuerza generada por el pistón de mando (3). Esta fuerza realmente es la suma de
dos fuerzas, la primera es por la acción del resorte y la segunda por la acción de la presión de pilotaje trabajando sobre el área efectiva del pistón, esta es la denominada acción de amplificación de la fuerza de mando. Al incrementarse la presión en el puerto A hasta el valor de calibración, la presión de pilotaje desplaza la esfera de descompresión (8) y el pistón de la válvula de premando (14), descargando el aceite de pilotaje al tanque por medio del conducto (13), esta acción genera que el pistón de mando principal solo tenga disponible la fuerza del resorte por lo tanto la presión del caudal principal levanta el pistón y el aceite viaja por el puerto B hacia el depósito del circuito. Las válvulas limitadoras de presión precomandadas con válvula direccional presentan dos condiciones de operación: Cuando se activa el solenoide de la válvula direccional el aceite de pilotaje que entra al bloque de potencia por el puerto X, se envía a tanque a través del puerto (2) de la válvula direccional, con esta acción el caudal principal conectado al puerto A se comunica con el puerto B descargando a tanque venciendo únicamente la resistencia generada por la instalación y por el resorte del pistón de mando del bloque de potencia
Figura 8. Válvula limitadora de presión precomandada con válvula direccional Al eliminar la alimentación del solenoide de la válvula direccional el aceite de pilotaje es obligado a desplazarse al sistema de mando directo y al pistón de control de la válvula de potencia, cuando la presión en el puerto A esta cerca del valor de la presión de alivio calibrada, el aceite de pilotaje levanta la esfera de descompresión y el cono de la válvula de premando de acción directa descargando el aceite del sistema de control a tanque, esto despresuriza la parte superior del pistón de mando de la válvula de potencia, la presión del aceite conectado al puerto A, levanta el pistón y se comunica con el puerto B aliviando el aceite a la presión de calibración de la válvula de alivio. Al momento de seleccionar una válvula limitadora de presión de mando directo o precomandada se recomienda tener en cuenta tres aspectos principales • • •
Comportamiento de la curva presión-caudal Límite de potencia de la válvula Comportamiento dinámico de la válvula
Comportamiento de la curva presión-caudal: Permite establecer la desviación que presenta la presión de ajuste calibrada en la válvula a medida que se incrementa el caudal que es enviado a tanque. Este parámetro es conocido como desviación de regulación R y generalmente presenta un mayor valor en las válvulas de mando directo con respecto a las precomandadas
Figura 9. Curva presión-caudal en válvula limitadora de presión de mando directo La desviación de regulación R puede calcularse por medio de la expresión 𝑅=
𝑝𝐸𝑖,𝑄>0 − 𝑝𝐸𝑖,𝑄=0 ∆𝑝𝐸𝑖 ; 𝑅= ∆𝑄 ∆𝑄
Figura 10. Curva presión-caudal en válvula limitadora de presión precomandada
En las válvulas limitadoras de presión de mando directo el resorte es el único encargado de realizar la oposición a la fuerza generada por el aceite proveniente de la bomba, cuando los caudales aumentan el desplazamiento del resorte es mayor y con ello la fuerza generada, este efecto es el responsable de la gran diferencia entre la curve de comportamiento ideal y la real. Para disminuir este efecto se diseñan resortes de diferente constante para el mismo cuerpo de la válvula, se debe entonces seleccionar el resorte más adecuado para el rango de presión del circuito donde preste servicio la válvula, adicionalmente se diseñan sistemas para que el plato de apoyo del resorte pueda tener un sistema de amortiguamiento con ayuda del caudal que es evacuado a tanque
Figura 11. Válvula limitadora de presión de mando directo con resortes para diferentes rangos de presión En las válvulas limitadoras de presión precomandadas, la función principal del resorte es la de ubicar correctamente el cono o carrete de sello en la válvula, por lo tanto, su efecto es mínimo en la presión a medida que aumenta el caudal a través de la válvula, solo se fabrican resortes de diferentes constantes para aumentar la sensibilidad de la válvula cuando el caudal que pasa por la válvula de potencia es muy pequeño. Para estas condiciones se genera una diferencia entre la presión de apertura de la válvula y la presión de cierre
Figura 12. Comportamiento a bajo caudal de válvula limitadora de presión precomandada Estas diferencias suelen deberse a las fuerzas mecánicas, hidráulicas y de fricción en los elementos de mando especialmente en el pistón principal y en la esfera de premando (descompresión), otro factor puede ser el nivel de suciedad que presente el fluido hidráulico
Límite de potencia de la válvula: Como se mencionó anteriormente este límite de potencia depende de las fuerzas que deban generarse para controlar la válvula en las condiciones máximas de caudal y potencia que pasen a través de ella. En las válvulas de mando directo suelen generarse grandes restricciones al caudal que puede aliviar la válvula y se debe tener especial cuidado en seleccionar la presión adecuada de servicio teniendo especial cuidado en no sobrepasar el valor máximo recomendado, algunos casos de comportamiento de estas válvulas son: • Válvula limitadora de presión mando directo de 200 bar: La válvula presentara un buen comportamiento en rangos de ajuste de presión entre los 100 bar y los 200 bar • Válvula limitadora de presión mando directo de 300 bar: La válvula presenta buen comportamiento para rangos de ajuste de presión entre los 200 bar y los 300 bar Trabajar con valores por fuera de los rangos recomendados generara grandes diferencias entre el valor deseado y el real obtenido de la presión de alivio del sistema En las válvulas limitadoras de presión precomandadas la construcción robusta del bloque de potencia permite que la limitante no sea la presión de servicio, si no las grandes velocidades de flujo y con ello las grandes pérdidas de presión y el calentamiento excesivo del fluido hidráulico. Para disminuir este efecto se recomiendan límites de uso de cada tamaño nominal de válvula
Figura 13. Límites de caudal de alivio en válvulas limitadoras de presión precomandadas Conducta dinámica de la válvula: El análisis del comportamiento dinámico de las válvulas limitadoras de presión busca establecer la capacidad de reacción ante cambios repentinos de caudal o presión. Se busca que la válvula reaccione rápidamente para compensar posibles picos de presión y alcanzar lo más pronto posible el valor de presión ajustado. La válvula limitadora de presión puede modelarse como un sistema con una masa (pistón de mando) acoplada a un resorte mecánico y a una columna de aceite que actúa como un resorte proporcional a la velocidad de movimiento del fluido hidráulico
Figura 14. Modelamiento de una válvula limitadora de presión Movimiento del pistón principal: El análisis del modelo matemático para la válvula limitadora de presión debe tener en cuenta las diferentes fuerzas que actúan sobre el pistón de mando de la válvula, una aproximación a este sistema se tiene en la siguiente expresión 𝐹 − 𝐵 ∗ 𝑋̇ − 𝐾 ∗ 𝑋 = 𝑚 ∗ 𝑋̈ Este sistema de orden dos debe ser capaz de responder a las diferentes condiciones de carga que se presentan en el circuito y que afectan el desplazamiento del pistón de mando de la válvula limitadora de presión, dos condiciones importantes de análisis son: • •
Cambio repentino en la presión del sistema debido a un gran consumo en alguno de los actuadores o una sobrecarga del sistema que frene instantáneamente el desplazamiento del actuador En las válvulas limitadoras de presión con premando por válvula direccional se pueden generar cambios bruscos en la presión cuando se activa la válvula direccional
El comportamiento característico de un sistema de orden dos ante una perturbación brusca, en este caso ir de caudal cero al máximo en un tiempo casi cero se observa en la siguiente grafica
Figura 15. Respuesta de válvula limitadora de presión ante cambio brusco de caudal y de presión
Cuando la válvula direccional esta desenergizada el caudal de la bomba se envía directamente a tanque y no se registra presión en la válvula limitadora. Al recibir la señal eléctrica la válvula direccional hay un cambio brusco en el caudal y un incremento rápido en la presión del sistema, el tiempo 𝑡𝐴 (tiempo de subida) indica el tiempo transcurrido desde que la válvula direccional recibió la señal eléctrica y cuando se alcanza por primera vez los límites de la banda de tolerancia del ajuste de la presión en la válvula limitadora de presión. El otro valor de tiempo importante es el denominado 𝑡𝐸 (tiempo de asentamiento), tiempo necesario para alcanzar el valor de la presión de calibración sin que posteriormente se obtengan valores que se salgan de la banda de tolerancia Como se observa en la figura la respuesta transitoria del sistema de segundo orden ante la fuerte perturbación en el caudal (entrada paso) genera un pico de presión o sobreimpulso (Mp) el cual se expresa en forma de porcentaje 𝑀𝑝 =
𝑝𝐸1𝑚𝑎𝑥 − 𝑝𝐸1 ∗ 100% 𝑝𝐸1
El valor obtenido es la máxima desviación de presión con respecto a la presión preestablecida en la válvula limitadora de presión, una válvula limitadora no debe presentar un sobreimpulso mayor al 10% al recibir todo el caudal suministrado por la bomba Válvulas de conmutación a presión: Son también llamadas válvulas de secuencia, de pretensión, de frenado. Desde el punto de vista constructivo son similares a las válvulas limitadoras de presión. Su función principal en un circuito hidráulico es conectar o desconectar otras zonas del sistema cuando se alcanza un valor de presión determinado Válvula de secuencia: Básicamente se trata de una válvula limitadora de presión, en donde para los dispositivos con accionamiento de mando directo, el puerto conocido como tanque se conecta a la parte del circuito que se desea aislar, hasta no alcanzar el valor de la presión preestablecida. En las válvulas con premando, es el puerto B que antes se comunicaba a tanque el que ahora se conecta con el circuito que se desea aislar
Figura 16. Válvula de secuencia de mando directo La válvula de secuencia de mando directo de la figura, permite la calibración de la presión de apertura por medio del tornillo de ajuste (4), el cual comprime el resorte (3) y genera la fuerza para que el pistón de mando (2) impida el paso del fluido hidráulico del puerto P al puerto A. Cuando aumenta la presión antes de la válvula el aceite de pilotaje tomado internamente por medio de la conexión (6) y la tobera de amortiguación (7), actúa sobre el área (8) y empuja el pistón de mando (2) hacia la izquierda comunicando el puerto P con el puerto A. la válvula cuenta con conexiones adicionales para alimentar la presión piloto de control desde el exterior por medio de los puertos
B (alimentación) y T (descarga). Para permitir el paso de aceite libre del puerto A hacia el puerto P se utiliza una válvula antirretorno interna (5), la conexión (1) se utiliza para la visualización de la presión de apertura por medio de un manómetro
Figura 17. Símbolos para válvulas de secuencia de mando directo y precomandadas Con respecto a las válvulas de secuencia precomandadas, se componen de un bloque de potencia principal (1) con su pistón de mando principal (2) y una válvula de premando (3) para amplificar la acción de control por medio del elemento de ajuste (11). Para permitir el flujo libre de aceite del puerto A hacia el puerto B se conecta externamente una válvula antirretorno
Figura 18. Válvula de secuencia con premando El bloque general mostrado en la figura permite diferentes configuraciones para la alimentación y descarga de la presión piloto gracias a las conexiones externas X y Y. En la configuración como válvula de secuencia el aceite de pilotaje utilizado en la válvula de premando es descargado libremente a tanque por el pasaje del puerto Y del bloque principal Una aplicación típica de una válvula de secuencia, son los circuitos hidráulicos con el movimiento de actuadores solo hasta alcanzar cierta presión de servicio, en la figura la zona del circuito donde está conectado el cilindro B solo tendrá presión de fluido hidráulico hasta alcanzar el valor calibrado en la válvula de secuencia.
Figura 19. Válvula de secuencia en circuito hidráulico Esta acción puede ser realizada tanto para el avance como para el retroceso de los cilindros, adicionando otra válvula de secuencia en la línea que alimenta el retroceso de los actuadores
Figura 20. Válvula de secuencia en avance y retroceso de actuadores hidráulicos Otra aplicación habitual de las válvulas de conmutación a presión es la unión o separación de bombas, en la figura anterior se unen los caudales de dos bombas para obtener un avance rápido de un cilindro de trabajo, pero solo para bajos niveles de presión Una vez que la carga en el actuador se incrementa, la válvula de desconexión por presión aísla las bombas y el avance del cilindro se realiza únicamente por el caudal suministrado por la bomba principal
Figura 21. Uso de válvula de desconexión por presión para avance rápido de cilindro Válvulas de desconexión a presión: Son también conocidas como válvulas para la carga de acumuladores, su función principal es permitir que una vez cargado el acumulador el caudal suministrado por la bomba se pueda aliviar a tanque a baja presión.
Figura 22. Circuito hidráulico con acumulador y válvula de desconexión por presión
Son también utilizadas en aquellos circuitos donde se cuenta con bombas que pueden funcionar a diferentes rangos de presión, los movimientos rápidos del circuito a baja presión se realizan sumando los caudales de las bombas, cuando aumentan los niveles de presión la válvula aísla las bombas de baja presión para protegerlas y los movimientos continúan con las bombas diseñadas para alta presión. Desde el punto de vista funcional, la bomba hidráulica entrega flujo a través de la válvula antirretorno (4) hacia la instalación hidráulica. La presión en el puerto A actúa a través dl conducto de mando (5) sobre el pistón de premando (6). Al mismo tiempo actúa la presión en canal P a través de las toberas (7) y (8) sobre el lado del pistón principal (3) cargado por el resorte y sobre la esfera (9) en la válvula de premando (2). Una vez alcanzada en la instalación hidráulica la presión de desconexión ajustada en la válvula de premando (2) la esfera (9) abre contra el resorte (10). El fluido hidráulico se mueve a través de las toberas (7) y (8) hacia la cámara del resorte (11). Desde aquí el fluido se descarga interna o externamente a través del conducto de mando (12) y el puerto que comunica con el tanque. La caída de presión generada por el paso del fluido hidráulico por las toberas (7) y (8) en el pistón principal lo despresuriza levantándose de su asiento y permitiendo el paso libre desde el puerto P hacia el T. la válvula antirretorno (4) cierra la unión del puerto A hacia el P
Figura 23. Válvula de desconexión por presión precomandada Válvula reductora de presión: Como lo indica su nombre la función principal de esta válvula es reducir en una parte del circuito la presión a un valor inferior al de la presión del sistema. Para el control del valor de la presión ajustada 𝑝𝐴 se utiliza esta misma referencia trabajando sobre una corredera de mando que controla la entrada de la presión mayor del sistema 𝑝𝐸
Figura 24. Principio de funcionamiento de válvula reductora de presión Cuando la presión de suministro aumenta se genera un aumento temporal de la presión de salida calibrada, debido a esto la corredera de control se desplaza hacia arriba venciendo la fuerza de compensación del resorte y reduciendo el paso del fluido hidráulico al puerto de salida generándose una caída de presión en este puerto compensando la perturbación inicial.
Figura 25. Válvula reductora de presión de mando directo En la posición inicial las válvulas están abiertas, es decir, el caudal puede fluir libremente de canal P hacia canal A. la presión en canal A actúa simultáneamente sobre el conducto de mando (2) en la superficie del pistón contra el resorte de presión (3). Si en canal A la presión supera la presión ajustada en el resorte (3), el pistón de mando (4) pasa a posición de regulación, manteniendo constante la presión ajustada en canal A. la señal y el caudal de aceite piloto se extrae internamente del canal A a través del conducto de mando (2). Si por influencia de fuerzas externas en el canal A la presión en el consumidor continua aumentando, el pistón de mando (4) sigue desplazándose contra el resorte (3).de este modo el canal A se une con el tanque a través del canto de mando (5) en el pistón de mando (4). Fluye tanto fluido hidráulico hacia el tanque como para que la presión no pueda seguir aumentando Válvula reductora de presión precomandada: Para la reducción de la presión de grandes caudales de líquido se emplean válvulas reductoras de presión precomandadas. Al igual que en las válvulas limitadoras de presión precomandadas, se une una válvula limitadora de presión de mando directo con el lado del resorte del pistón de mando
Figura 26. Símbolos para válvula reductora de presión de mando directo La válvula se compone de una válvula principal, con un pistón regulador y una válvula reductora de presión de mando directo que actúa como válvula de premando. En posición inicial el pistón regulador (2) es mantenido en posición central por el resorte (5) y la arandela (4) contra el resorte (6), las uniones de P hacia A y de A hacia T están cerradas.
Figura 27. Símbolos para válvula reductora de presión precomandada El resorte (5) está más pretensionado que el resorte (6), de modo que la posición media del pistón principal (2) queda exactamente definida por el tope de la arandela (4) en la carcasa de la válvula principal (1). El pistón de premando (7) es mantenido en posición inicial abierta por el resorte (8).
Figura 28. Válvula reductora de presión precomandada
El caudal de mando es conducido de la conexión P a través del conducto de mando (9) hacia la válvula de premando. Llega a través de la conexión abierta de la misma al conducto de mando (10) de la válvula principal y luego a las cámaras de resortes (11) y (12) del pistón principal (2) y a través de la tubería de mando (13) a la conexión A. Cuando el caudal de mando en conexión P resulta suficiente, se instala una presión en conexión A como consecuencia de la resistencia del consumidor. Esta actúa a través del conducto de mando (13), las toberas del pistón principal (14 y 15), los conductos (10 y 16) sobre el pistón de premando (7), desplazando a este último contra el resorte (8). En la sección transversal de mando entre la perforación (17) y el conducto de mando (18) del pistón de la válvula de premando (7) se reduce la presión de entrada (conexión P) a la presión de
