Circuitos hidraulicos

7. Circuitos hidráulicos Ingeniería Térmica y de Fluidos J. Menacho SCHOOL OF ENGINEERING Introducción Los circuitos

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7. Circuitos hidráulicos Ingeniería Térmica y de Fluidos J. Menacho

SCHOOL OF ENGINEERING

Introducción Los circuitos oleo-hidráulicos utilizan la circulación de un fluido a presión para realizar un trabajo mediante algún tipo de actuador.

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Introducción Los circuitos oleo-hidráulicos utilizan la circulación de un fluido a presión para realizar un trabajo mediante algún tipo de actuador.

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Introducción Los circuitos oleo-hidráulicos utilizan la circulación de un fluido a presión para realizar un trabajo mediante algún tipo de actuador.

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7.1) Fluido hidráulico Sus funciones son: -

Transmitir la potencia mecánica con el máximo rendimiento posible. Mantener el conjunto a una temperatura moderada.

Requisitos: -

No tóxico No inflamable

Cualidades necesarias: -

Capacidad lubricante Protector contra la oxidación Estabilidad (que no se altere con el tiempo) No corrosivo: que no ataque los elementos del circuito (tuberías, juntas, etc.)

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7.1) Fluido hidráulico Los líquidos hidráulicos empleados actualmente han sido diseñados específicamente para este uso. -

Viscosidad entre 15 y 120 cSt. Estabilidad química. Demulsibilidad: Acidez: debe ser neutro. Se mide en mg de potasa (KaOH) necesarios para neutralizar 1g de líquid. Se añaden aditivos antiespumantes, anticongelantes, antioxidantes, etc.

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7.1) Fluido hidráulico Otros

Composición

T servicio (ºC) Lubricante Inflamación Viscosidad

Base agua agua-glicol Disolución 40 a 65% glicol -15 a 60 Poco Muy bueno Regular

Sintéticos Aceite/agua Emulsión 2 a 15% aceite 10 a 70 regular

Agua/aceite Emulsión 40 a 50% agua 10 a 70 Bueno

Bueno

Regular

Esteres Siliconas fosfatados -55 a 150 Muy bueno Muy bueno

-70 a 300 Muy bueno Muy bueno

Bueno

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7.2) El grupo hidráulico Es la parte del circuito hidráulico formado por el depósito de líquido hidráulico y la bomba de presión. Sus funciones son: -

Poner el fluido en presión. Mantener una cierta cantidad de fluido disponible para ser bombeado. Controlar la calidad del fluido hidráulico. Separar el aire y las partículas arrastradas por el fluido. Mantener el fluido a una temperatura adecuada.

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7.2) El grupo hidráulico Algunas características típicas del grupo de presión: •



• •

Clasificación según la presión del circuito: o Baja presión: presión nominal 𝑝𝑝N < 50 bar o Media presión: 50 a 150 bar o Alta presión: presión nominal (hasta 250, 𝑝𝑝N > 150 bar normalmente). Filtros: o Aspiración: 160 μ o Retorno: 1500 a 2000 μ Válvula de seguridad: reglaje a 𝑝𝑝a = 1,1 · 𝑝𝑝N Control de temperatura: normalmente debe mantenerse por debajo de los 70ºC. 9 ETF 07 Circuitos hidráulicos

7.2) El grupo hidráulico A) El despósito El diseño del depósito debe tener en cuenta: -

-

El material ha de ser compatible con el líquido hidráulico que deberá contener, de modo que éste no lo ataque, y que no haya desprendimiento de partículas que contaminen el fluido. Es conveniente situarlo dentro de una bandeja para recogida de fugas. La capacidad del depósito debe ser suficiente para almacenar todo el líquido del circuito en situación de parada, más un excedente (que puede ser del 25 o 30%).

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7.2) El grupo hidráulico A) El despósito El diseño del depósito debe tener en cuenta: -

Cuando el depósito esté lleno de líquido hidráulico, deberá quedar al menos un 10 o 15% de volumen vacío, para contener gases y prevenir el efecto de dilataciones térmicas.

-

Las bocas de aspiración y de retorno deben estar alejadas entre sí, para evitar cortocircuitos, y/o se colocará una pletina de separación entre la zona de retorno y la aspiración.

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7.2) El grupo hidráulico A) El despósito El diseño del depósito debe tener en cuenta: -

El tubo de aspiración tendrá un ensanchamiento en su extremo, para evitar aceleraciones bruscas del fluido, que pueden formar remolinos, aumentando la pérdida de carga. Como mínimo, su boca será en bisel.

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7.2) El grupo hidráulico B) Grupo de bombeo La potencia de la bomba 𝑃𝑃b , para suministrar un caudal Q a una presión de servicio p, es: 𝑃𝑃b = 𝑝𝑝 · 𝑄𝑄

Y la potencia del motor eléctrico que acciona la bomba: 𝑃𝑃m =

𝑃𝑃b 𝑃𝑃b = 𝜂𝜂mec · 𝜂𝜂v 𝜂𝜂b

Siendo 𝜂𝜂mec , 𝜂𝜂v los rendimientos mecánico y volumétrico de la bomba, respectivamente.

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7.2) El grupo hidráulico B) Grupo de bombeo

El caudal nominal de la bomba es el volumen de fluido desplazado por unidad de tiempo cuando la bomba gira a 1500 rpm. 𝑉𝑉 · 𝑛𝑛 · 𝜂𝜂vol L⁄min 1000 Done V es el volumen en cm3, n el régimen de giro (en rpm) y 𝜂𝜂vol el rendimiento volumétrico. 𝑄𝑄𝑛𝑛 =

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7.2) El grupo hidráulico B) Grupo de bombeo

Los tipos de bomba más utilizados en circuitos hidráulicos son: • De caudal constante: o Engranajes: o De lóbulos o De paletas o Tornillos sin fin • De caudal variable: o Paletas sin equilibrar o Pistones (radiales, axiales y de eje inclinado o barrilete). 15 ETF 07 Circuitos hidráulicos

7.2) El grupo hidráulico B) Grupo de bombeo Bombas de engranajes: • • • •

• •



Trabajan a presiones que pueden superar los 200 bar Construcción compacta y volumen reducido Amplia gama de caudal, presión y potencia Rendimiento en condiciones normales: 85 a 90%, aunque se reduce mucho si hay desgaste de la bomba (75 a 85%). Velocidades entre 500 y 3500 rpm. Tipos: o Engranajes exteriores: caudal alto y presión no muy alta o Engranajes interiores: rendimiento volumétrico alto (98%) y silenciosas. Engranajes múltiples: pueden tener varias salidas independientes. 16 ETF 07 Circuitos hidráulicos

7.2) El grupo hidráulico B) Grupo de bombeo Bombas de engranajes:

El caudal puede calcularse, de forma aproximada, como: 𝑄𝑄 = 𝑑𝑑𝑝𝑝 · 𝑀𝑀 · 𝑏𝑏 · 𝜔𝜔

Siendo 𝑑𝑑𝑝𝑝 el diámetro primitivo del engranaje, M su módulo, b el ancho de diente y ω la velocidad angular de giro. 17 ETF 07 Circuitos hidráulicos

7.2) El grupo hidráulico B) Grupo de bombeo Bomba de paletas. Las características generales de este tipo de bombas: • • • • •

Pueden ser de caudal fijo o variable. Amplia gama de caudales (de 2,5 a 300 L/min). Presión baja o media (normalmente < 140 bar). Velocidades entre 500 y 3000 rpm. Rendimientos entre 90 y 95%.

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7.2) El grupo hidráulico B) Grupo de bombeo

Bomba de pistones. Las características generales de las bombas de pistones: • • • • •

Adecuadas para altas presiones ( de 150 hasta 2000 bar). Caudales entre 0,3 y 250 L/min. Velocidades hasta 7000 rpm. Proporcionan rendimientos entre 70 y 95% Tipos: o Pistones en línea o Pistones radiales o Pistones axiales.

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7.2) El grupo hidráulico B) Grupo de bombeo

Bomba de pistones. Las bombas de eje inclinado permiten variar el caudal modificando el ángulo que forma el eje motor con el plato en el que se articulan los émbolos. Esto hace variar la carrera de los émbolos. 20 ETF 07 Circuitos hidráulicos

7.3) Motor rotativo Hay mucha similitud entre los motores hidráulicos y las bombas. Los tipos de motores, según su forma constructiva son: • De engranajes • De paletas • De pistones o Radiales o Axiales

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7.3) Motor rotativo El caudal que atraviesa un motor se calcula a partir de su volumen geométrico V y el régimen de giro n (rpm). Siendo 𝜂𝜂v el rendimiento volumétrico. Se denomina cilindrada reducida al volumen efectivamente desplazado en un giro completo del eje 𝑞𝑞𝑟𝑟 = 𝑉𝑉 · 𝜂𝜂v De modo que el caudal puede expresarse como

𝑛𝑛 𝑄𝑄 = 𝑞𝑞𝑟𝑟 · 𝜔𝜔 = 𝑉𝑉 · 𝜂𝜂v · 2𝜋𝜋 · 60 La potencia consumida por el motor (perdida por el fluido) es 𝑃𝑃 = 𝑄𝑄 · Δ𝑝𝑝

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7.3) Motor rotativo Y la potencia entregada por el motor 𝑃𝑃eje = 𝑃𝑃 · 𝜂𝜂mec

Donde 𝜂𝜂mec mecánico.

es el rendimiento

El rendimiento global del motor es el producto de sus rendimientos volumétrico y mecánico. Y el par suministrado por el motor en su eje será, por lo tanto: 𝑀𝑀 =

𝑄𝑄 · Δ𝑝𝑝 · 𝜂𝜂mec 𝜔𝜔

Donde Δp es la diferencia de presión entre la entrada y la salida del motor. 23 ETF 07 Circuitos hidráulicos

7.3) Motor rotativo

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7.4) Motores oscilantes El motor oscilante o actuador hidráulico consta de dos cilindros opuestos con un vástago común que es una cremallera mediante la cual se mueve un piñón, que gira a derecha o izquierda según el cilindro que actúe.

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7.4) Motores oscilantes El motor oscilante o actuador hidráulico consta de dos cilindros opuestos con un vástago común que es una cremallera mediante la cual se mueve un piñón, que gira a derecha o izquierda según el cilindro que actúe.

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7.5) Cilindro hidráulico Es uno de los aparatos más utilizados en aplicaciones hidráulicas. Desarrolla un movimiento lineal, con una fuerza 𝐹𝐹 = 𝑝𝑝 · 𝑆𝑆𝑖𝑖

Siendo 𝑆𝑆𝑖𝑖 , 𝑖𝑖 = 1,2 la superficie del émbolo.

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7.5) Cilindro hidráulico La velocidad del vástago depende del caudal inyectado, y de si el movimiento es de salida o entrada del vástago: 𝑣𝑣 =

𝑄𝑄 · 𝜂𝜂 𝑆𝑆𝑖𝑖 vol

El rendimiento volumétrico 𝜂𝜂vol de un cilindro suele ser del orden del 85 a 95%. Las pérdidas totales de rendimiento son debidas a las fugas de fluido, pérdidas de carga, rozamientos, etc.

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7.5) Cilindro hidráulico Aunque pueden fabricarse bajo demanda, los cilindros hidráulicos se venden con medidas estándar.

La norma internacional ISO 3320; 6020; 6022 convive con los estándares recomendados por el CETOP (Comité Européen des Transmissions Oléohydrauliques et Pneumatiques). 29 ETF 07 Circuitos hidráulicos

7.5) Cilindro hidráulico Tipos de cilindro: -

De simple efecto; De doble efecto; De doble efecto con doble vástago; De doble efecto con frenado de final de carrera; Telescópico; Diferencial

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7.5) Cilindro hidráulico

1 – pistón o cámara 2 – vástago 3 – émbolo 4 – émbolo de regulación 5 – puertos de alimentación (roscados) 6 – 7 – elementos de regulación de velocidad (frenado) 8 – tornillo de purga. 31 ETF 07 Circuitos hidráulicos

7.5) Cilindro hidráulico

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7.5) Cilindro hidráulico Cuando se diseña un circuito que tenga cilindros, debe tenerse en cuenta que uno de los factores limitantes es la velocidad del fluido en los tubos de aprovisionamiento, que no debe ser mayor de 4 a 6 m/s. Por lo tanto, habrá que diseñar los tubos de forma apropiada según el diámetro interior del cilindro y la velocidad de accionamiento que se desea.

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7.6) Distribuidores Los distribuidores tienen la función de distribuir el fluido en una u otra dirección, según convenga a la maniobra del circuito.

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7.6) Distribuidores Tipos: -

-

-

De corredera: o Caudales pequeños y medianos o Dos o tres posiciones estables y variados accionamientos o En algunos casos, el cierre da lugar a pequeñas fugas. De asiento: o Caudales pequeños y medianos; o Básicamente de dos posiciones (también los hay de tres); o Cierre eficaz De placa de distribución: o Para toda la gama de caudales; o Permiten un número elevado de maniobras estables. ETF 07 Circuitos hidráulicos

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7.6) Distribuidores

https://www.youtube.com/watch?v=CQPwvWXbV3w

https://www.youtube.com/watch?v=o-A_9nFpzek

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7.6) Distribuidores El distribuidor se define por el número de posiciones (p) que puede adoptar, y por el número de vías (v) relacionadas (en cualquiera de las posiciones): v/p

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7.6) Distribuidores

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7.6) Distribuidores El accionamiento puede ser: -

Manual

-

Mecánico

-

Hidráulico

-

Neumático

-

Eléctrico

-

Combinación de los anteriores.

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7.6) Distribuidores

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7.6) Distribuidores

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7.6) Distribuidores

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7.7) Otros dispositivos de control 1. Válvula limitadora de presión o de seguridad. • Se trata de una válvula que permanece cerrada mientras la presión en la línea de entrada sea inferior a un valor establecido. • Esta presión límite puede ser fija o regulable. • En casi todas los sistemas hidráulicos se coloca una válvula de seguridad a la salida del grupo de bombeo.

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7.7) Otros dispositivos de control 2. Válvula reductora de presión. • Son dispositivos que sirven para reducir la presión hasta un valor establecido. • En su forma general, se cierran cuando la presión supera la presión de referencia. • También pueden funcionar de forma diferencial (según la diferencia de presión entre la entrada y la salida de la válvula. 44 ETF 07 Circuitos hidráulicos

7.7) Otros dispositivos de control 2. Válvula reductora de presión.

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7.7) Otros dispositivos de control 2. Válvula reductora de presión. Este tipo de válvulas también se utilizan cuando se desea establecer una prioridad en el accionamiento de varios actuadores. En este caso se denominan válvulas de secuencia. En el ejemplo de la figura, hasta que el cilindro 1 no esté dentro, no comenzará a entrar el cilindro 2.

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7.7) Otros dispositivos de control 3. Reguladores de caudal Son elementos que regulan el caudal que los atraviesa. Pueden ser fijos o regulables, y pueden regular el flujo en un sentido o en ambos.

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7.7) Otros dispositivos de control 4. Válvula antirretorno

5. Manómetro y presostato

Es una válvula que permite el paso libremente en un solo sentido. En sentido contrario no deja pasar el fluido, o bien solamente lo deja pasar a partir de una cierta presión de reglaje (la cual, a su vez, puede ser fija o regulable).

El presostato detecta la presión del fluido y, según el valor de ésta, activa o desactiva una señal (luminosa, acústica) o un circuito. Puede usarse para evitar presiones demasiado grandes y/o demasiado bajas. El límite de presión puede ser fijo o regulable.

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7.7) Otros dispositivos de control 6. Filtro

7. Intercambiador de calor

Es imprescindible el filtrado del líquido hidráulico que circula por el circuito, para extraer las partículas que son arrastradas. Sin un adecuado filtrado, rápidamente se produce el deterioro de los dispositivos hidráulicos. Normalmente se instala una válvula antirretorno en by-pass, reglada a baja presión, de modo que se permita el paso del fluido cuando el filtro se obtura por acumulación de suciedad.

En algunos circuitos hidráulicos, las condiciones de funcionamiento producen un incremento importante de la temperatura del líquido hidráulico, que ha de ser enfriado haciéndolo atravesar un intercambiador de calor. Normalmente se utiliza agua a temperatura ambiente como líquido refrigerante.

1

2

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7.7) Otros dispositivos de control 8. Acumulador El acumulador consta de un depósito, conectado a la tubería del circuito, cuyo volumen es variable, dependiendo de la deformación de algún elemento elástico, de este modo, el volumen de líquido contenido en el depósito es aproximadamente proporcional a la presión. -

Reserva de fluido a presión que puede abastecer el circuito durante un corto intervalo de tiempo. Eliminar o reducir los golpes de ariete que pueden producirse por cierres/aperturas bruscos del flujo. Amortiguar los cambios de presión o sus oscilaciones.

Según el dispositivo presurizador, los acumuladores son: -

De peso De resorte De pistón De vejiga De membrana.

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7.8) Esquemas hidráulicos básicos 1. Cilindro con amortiguación accionado con distribuidor 4/2 accionado por electroválvula.

Posición 1: reposo del actuador; pistón dentro. Posición 2: pilotado por electroválvula; pistón fuera. M 3∼

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7.8) Esquemas hidráulicos básicos 1. Cilindro con amortiguación accionado con distribuidor 4/2 accionado por electroválvula.

Datos de diseño: Presión de trabajo (manométrica): p Fuerza del pistón: F Tiempo recorrido pistón: t Datos de elementos:

M 3∼

Carrera: L Diámetro pistón: D Diámetro vástago pistón: d 52 ETF 07 Circuitos hidráulicos

7.8) Esquemas hidráulicos básicos 1. Cilindro con amortiguación accionado con distribuidor 4/2 accionado por electroválvula.

Caudal necesario:

Potencia:

𝜋𝜋 · 𝐷𝐷2 · 𝐿𝐿 𝑄𝑄salida = 4 · 𝑡𝑡 𝜋𝜋 · 𝐷𝐷2 − 𝑑𝑑 2 · 𝐿𝐿 𝑄𝑄entrada = 4 · 𝑡𝑡

M 3∼

𝑃𝑃cilindro = 𝑄𝑄 · 𝑝𝑝

𝑃𝑃demandada =

𝑃𝑃cilindro 𝜂𝜂bomba

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7.8) Esquemas hidráulicos básicos 1. Cilindro con amortiguación accionado con distribuidor 4/2 accionado por electroválvula.

Fuerza del cilindro: 𝐷𝐷2 𝐹𝐹salida = 𝑝𝑝 · 𝜋𝜋 · 4 𝐷𝐷2 − 𝑑𝑑 2 𝐹𝐹entrada = 𝑝𝑝 · 𝜋𝜋 · 4

M 3∼

Volumen del depósito:

𝑉𝑉deposito ≈ 3 · 𝑄𝑄

con Q en L/min

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7.8) Esquemas hidráulicos básicos 2. Cilindro de doble efecto accionado por distribuidor 4/3 con accionamiento manual y con control de velocidad por salida y entrada por reguladores de caudal. Datos de diseño: Presión de servicio: p Fuerza del pistón: F Tiempo de recorrido: t Distancia del recorrido (carrera): L

¿Dimensiones cilindro? ¿Potencia demandada?

M 3∼

¿Caudal? 55 ETF 07 Circuitos hidráulicos

7.8) Esquemas hidráulicos básicos 2. Cilindro de doble efecto accionado por distribuidor 4/3 con accionamiento manual y con control de salida y entrada por reguladores de caudal.

Filtros: aspiración: 160 μm; retorno: 1500 a 2000 μm Válvula de seguridad: presión de ajuste 𝑝𝑝a = 1,1 · 𝑝𝑝 Volumen

del

𝑉𝑉deposito con Q en L/min

M 3∼

depósito: ≈ 3 · 𝑄𝑄

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7.8) Esquemas hidráulicos básicos 3. Cilindro de simple efecto para elevar una carga, con amortiguamiento de final de carrera mediante acumulador.

El acumulador hidráulico sirve para amortiguar el final de carrera y el cambio de posición del distribuidor, evitando el golpe de ariete.

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7.8) Esquemas hidráulicos básicos 4. Mando de un motor hidráulico en circuito abierto, con frenado en los dos sentidos de giro. El conjunto de válvulas de retención y la válvula de descarga rápida tiene varias funciones: - (en posición 1 o 3) evacuar el fluido cuando el motor encuentra una resistencia más alta de cierto límite; - (en posición 2) el motor queda bloqueado.

M 3∼

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7.8) Esquemas hidráulicos básicos 5. Mando de un motor hidráulico en circuito cerrado, con un sentido de giro. VDR

• El circuito auxiliar de puesta en presión mantiene una presión mínima en la rama de salida del motor, para evitar cavitación.

M 3∼

• T.R.E.D. = “todos los retornos excepto drenajes”

VS

T.R.E.D. M 3∼

VA

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7.8) Esquemas hidráulicos básicos 6. Mando de un motor hidráulico en circuito cerrado, con dos sentidos de giro. VDR

• El “puente” de cuatro válvulas antiretorno, más una válvula de seguridad VS, hace que el fluido pase siempre por el motor.

M 3∼

• La línea de puesta en presión se conecta a la rama que, en cada caso, trabaja a baja presión.

VS

T.R.E.D. M 3∼

VA

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7.8) Esquemas hidráulicos básicos 7. Cilindro con dos velocidades en función de la presión.

• Mientras la carga que ha de vencer el cilindro es pequeña, las dos bombas envían su caudal hacia el cilindro (velocidad rápida).

T.R.E.D.

• Cuando la carga del cilindro aumenta, se abre la válvula de descarga VD1, y solamente el caudal de una bomba acciona el cilindro (a velocidad lenta).

VD2 VD1

M 3∼

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7.8) Esquemas hidráulicos básicos 8. Circuito secuencial simple.

C1

• Salida del cilindro 1 y después salida del cilindro 2.

C2

• La válvula de secuencia debe ajustarse a una presión inferior a la de trabajo, pero superior a la presión de trabajo de C1.

T.R.E.D.

• La entrada de los cilindros es simultánea.

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Marcado de tuberías El marcado de tuberías según el fluido que conducen se realiza siguiendo la norma DIN-2403, o bien UNE-1063.

Sigue un código de colores según el tipo de sustancia: - Color básico: tipo de sustancia - Color complementario: características especiales o sustancia particular.

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Marcado de tuberías Las tuberías pueden pintarse: a) Color básico en toda la longitud + color complementario en una banda (anchura ≥ diámetro) b) Color básico en una banda + color complementario en una banda transversal.

Siempre deben pintarse en la proximidad de válvulas, empalmes, salidas de empotramientos y aparatos de servicio. 64 ETF 07 Circuitos hidráulicos

Bibliografía: J. Roldán Viloria, Tecnología y circuitos de aplicación de neumática, hidráulica y electricidad, Paraninfo, Madrid 2012.

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