03 OLEOHIDRÀULICA
En aquesta unitat treballarem l’oleohidràulica, una tècnica semblant a la pneumàtica però amb algunes diferències importants.
Unitat 03.indd 59
Sabries dir quin és el fluid que acciona el cilindre de l’eruga? Per quins motius creus que no s’ha utilitzat aire comprimit?
14/3/08 10:55:11
60
03
BLOC 1. SISTEMES MECÀNICS
j 3.1 Oleohidràulica El curs passat vam veure que un fluid pot cedir directament la seva energia, cinètica o potencial, a un dispositiu adequat per a l’accionament de màquines i mecanismes. En les primeres aplicacions tècniques s’utilitzava l’aigua com a fluid transmissor d’energia. Aquesta tècnica, la hidràulica, s’utilitza des de l’antiguitat. Però a banda de l’aigua, poden utilitzar-se altres fluids. Quan el fluid transmissor d’energia és l’aire comprimit, parlem de pneumàtica, que ja vam estudiar el curs passat.
Fig. 3.1. Aplicació oleohidràulica (cilindre hidràulic).
Quan necessitem actuadors que transmetin forces elevades, la utilització de l’aire com a fluid transmissor no és aconsellable, a causa del seu caràcter compressible. Per això, quan cal un desplaçament dels cilindres o qualsevol altre actuador sense possibilitat d’oscil·lacions ni moviments bruscos, cal utilitzar fluids incompressibles. Els líquids gaudeixen dels mateixos avantatges que els gasos en la capacitat de fluir i transmetre energia, però amb l’avantatge de ser pràcticament incompressibles. Aquest fet possibilita la utilització de pressions de treball elevades i, en conseqüència, l’obtenció de grans forces. L’oleohidràulica o hidràulica de l’oli, tal com la coneixem actualment, neix el segle XX amb la utilització d’olis minerals, en lloc d’aigua, que faciliten la lubricació de les peces mòbils del mecanisme, disminueixen l’oxidació i minoren les fuites de fluid. Per a aplicacions específiques també s’utilitzen fluids especials: ininflamables, emulsions, etc. Cal tenir en compte que els sistemes oleohidràulics són essencialment sistemes de transmissió d’energia, ja que no en permeten l’emmagatzematge.
L’oleohidràulica és el conjunt de tècniques basades en la utilització d’oli com a fluid transmissor d’energia per a l’accionament de màquines i mecanismes.
El tipus d’oli que s’utilitza depèn de l’aplicació, però també d’altres factors, com la disponibilitat o factors mediambientals. Cada vegada més es busca disposar de productes, el funcionament dels quals presenti una agressió escassa per al medi ambient. Així, encara que la majoria de sistemes utilitza oli d’origen mineral, s’està investigant l’ús d’olis biodegradables (principalment d’origen vegetal) en components oleohidràulics d’altes prestacions. Un dels grans reptes de l’oleohidràulica és, doncs, la utilització de fluids nets i de materials reciclables per a la seva fabricació.
Avantatges i inconvenients de l’oleohidràulica respecte de la pneumàtica. Hidropneumàtica L’oleohidràulica i la pneumàtica són les dues tècniques més emprades actualment en la indústria per a la transmissió d’energia, encara que ambdós sistemes presenten característiques ben diferenciades. Els principals avantatges dels sistemes hidràulics enfront dels pneumàtics són: 䊏 Regulació fàcil de la velocitat. Com que l’oli és un fluid incompressible, es pot variar
d’una manera fàcil i precisa la velocitat dels actuadors hidràulics o oleohidràulics (cilindres, motors, etc.). Aquesta variació es pot fer regulant el cabal de subministrament de la bomba o fent servir vàlvules de control de cabal, que és l’opció més freqüent.
Unitat 03.indd 60
14/3/08 10:55:17
OLEOHIDRÀULICA
03
61
䊏 Transmissió de grans potències. Els sistemes oleohidràulics permeten la transmissió
de potències més grans per unitat de volum i aconsegueixen un rendiment de transmissió alt. Com que la força es calcula fent el producte de la pressió per la secció, en components de mida reduïda és possible desenvolupar esforços més grans, ja que es poden emprar pressions altes (superiors als 150 · 105 Pa = 15 MPa). 䊏 Control de la posició. Gràcies a la incompressibilitat del líquid, un actuador hidràu-
lic o oleohidràulic pot detenir-se en qualsevol posició amb un alt grau de precisió; la regulació del cabal pot efectuar-se fàcilment. No passa així en els sistemes pneumàtics a causa de la compressibilitat de l’aire. 䊏 Reversibilitat dels accionaments. En els sistemes hidràulics o oleohidràulics, la
inversió del sentit de gir o de desplaçament es pot efectuar instantàniament per mitjà d’una vàlvula o d’una bomba adequades. Els dispositius de seguretat del sistema protegeixen els components de la sobrepressió que es crea en el moment de la inversió. En els pneumàtics, hi ha pocs elements d’accionament primaris que ho permetin, i els que ho permeten necessiten aturar-se completament abans d’invertir el sentit de la marxa. 䊏 Protecció del sistema. En una transmissió mecànica qualsevol sobrecàrrega pot pro-
duir un trencament dels seus elements o, fins i tot, del mateix element d’accionament (motor, …). En una transmissió hidràulica o oleohidràulica, en canvi, la vàlvula de seguretat (limitadora de pressió) i els amortidors eviten que les sobrecàrregues puguin ocasionar sobrepressions en el circuit i provocar danys als seus elements. 䊏 Possibilitat d’arrencada i aturada en càrrega. Els sistemes hidràulics i oleohidràu-
lics permeten el bloqueig brusc de qualsevol moviment, així com l’arrencada posterior en càrrega. Un motor elèctric, en canvi, no podria treballar en aquestes condicions de manera directa.
Fig. 3.2. Cilindre d’una grua.
Els inconvenients, per contra, que presenten els sistemes oleohidràulics enfront dels pneumàtics són: 䊏 Els accionaments oleohidràulics són més complicats, cars i lents. 䊏 Els sistemes oleohidràulics no permeten l’acumulació d’energia, només la transmissió,
mentre que els pneumàtics sí que poden acumular energia.
Cilindre pneumàtic
Cilindre hidràulic o oleohidràulic
Resposta
ràpida
lenta
Força
petita
elevada
Massa
lleugera
pesant
Control de posició
difícil
possible
Control de velocitat
inadequat
adequat
Pressió d’alimentació
baixa
alta
Rigidesa de posició intermèdia
baixa
alta
Sistema d’accionament
senzill
més complex
Preu
baix
alt
Taula 3.1. La taula mostra les característiques oposades entre un cilindre hidràulic o oleohidràulic i un cilindre pneumàtic.
Unitat 03.indd 61
14/3/08 10:55:20
03
62
BLOC 1. SISTEMES MECÀNICS
És relativament freqüent que en una instal·lació –les característiques generals de la qual s’adapten bé a la pneumàtica– hi hagi alguna operació en particular que pugui ser més ben resolta amb un sistema oleohidràulic, com ara la regulació de la velocitat, l’obtenció d’una força important amb una secció petita o l’aturada d’un cilindre en una posició intermèdia del seu recorregut. En aquests casos no es justifica la instal·lació d’una central oleohidràulica, sinó que resulta més convenient la conversió de l’energia pneumàtica en hidràulica mitjançant components hidropneumàtics o oleopneumàtics: convertidors pneumaticohidràulics aire-oli i cilindres oleopneumàtics. Fixa-t’hi Les característiques principals que han de reunir els líquids hidràulics són:
Un exemple que no es pot resoldre satisfactòriament amb la pneumàtica es refereix als casos en què l’esforç resistent canvia de signe, com ara l’accionament d’un mecanisme tipus pèndol que ultrapassi el punt mort. Si utilitzem un cilindre accionat per oli no notarem els efectes de la compressió ni de l’expansió a causa que els olis, a efectes pràctics, no canvien de volum en ser comprimits. No succeirà el mateix si fem servir un cilindre pneumàtic.
j
Tenir un bon rendiment en la transmissió d’energia.
j
Tenir un bon comportament amb la temperatura.
䊏 Que resulti econòmicament més viable.
j
Tenir poca compressibilitat.
䊏 Si ja hi ha una xarxa pneumàtica, no necessitarem complicar la instal·lació afegint
j
Ser un bon lubricant.
j
No ser oxidant.
j
Ser inalterable amb el temps.
j
No ser tòxic.
j
No ser inflamable.
Les raons que poden aconsellar utilitzar aquests sistemes mixtos són diverses: 䊏 Mantenir un únic sistema de control per governar tota la màquina.
una central hidràulica (motor, dipòsit, accessoris...).
Característiques dels líquids hidràulics Els fluids han de reunir tot un seguit de condicions: 䊏 Han de tenir propietats altament lubrificants perquè la fricció entre les parts mòbils
sigui la mínima possible. 䊏 Han de tenir una gran estabilitat química per resistir els efectes de l’oxidació. Els
olis amb un índex de viscositat elevat, que són els que habitualment es recomanen, acostumen a tenir també una estabilitat química adequada. L’índex d’acidesa es recomana que sigui inferior a 0,1.
Recorda La pressió (p) és la relación entre la força (F) i la unitat de superfície (A) sobre la qual s’aplica:
p=
E (Pa) A
1 Pa =
1N 1 m2
1 bar = 105 Pa
Unitat 03.indd 62
Principis bàsics d’oleohidràulica Hidrostàtica. Principi de Pascal
El principi fonamental de l’oleohidràulica és la llei de Pascal, que diu que la pressió exercida sobre un punt d’un fluid incompressible i en repòs es transmet íntegrament en totes les direccions de la massa líquida, ja que són pràcticament incompressibles, a diferència dels gasos que poden comprimir-se considerablement.
14/3/08 10:55:22
03
OLEOHIDRÀULICA
63
Si apliquem el principi de Pascal podem comprovar que la força exercida sobre un èmbol petit, d’àrea A1, produeix sobre l’èmbol una pressió p1 = F1/A1, que es transmet a tot el fluid en totes les direccions (fig. 3.3). Si considerem que no hi ha pèrdues i que el sistema es troba en equilibri, aquesta pressió es transmet íntegrament al llarg de la canonada, per mitjà del fluid fins a l’èmbol de secció més gran, l’àrea del qual és A2 (fig. 3.4). Llavors: F F A p1 = p2 = 1 = 2 → F2 = F1 ⋅ 2 A1 A2 A1 Aquesta expressió ens permet arribar a la conclusió que amb una força petita es pot obtenir una força molt més gran. El principi demostrat en la figura 3.4 s’aplica a nombroses aplicacions, com ara, els gats hidràulics.
Fig. 3.3. Secció d’un cilindre en què es mostra gràficament el principi de Pascal.
F1
F2
A1
A2
Hidrodinàmica. Cabal i potència hidràulica El cabal és la quantitat de fluid que travessa una secció determinada per unitat de temps.
Fig. 3.4. Equilibri hidràulic.
Aquesta quantitat de fluid podem expressar-la de dues maneres: en massa o en volum. Per tant, es pot parlar de cabal màssic (qm) i de cabal volumètric (qv).
Recorda
Aquests dos tipus de cabal estan relacionats per la densitat del fluid, que en els gasos és variable amb la pressió i la temperatura. El cabal màssic, en el SI, s’expressa en kg/s; i el cabal volumètric, en m3/s. A la pràctica també es fa servir el L/s, L/min o el m3/h. Si considerem només líquids incompressibles (densitat constant) i amb flux laminar i estacionari, el cabal volumètric de líquid que passarà per cada tram d’una conducció amb diferents seccions, serà constant. Atès que el volum és l’àrea de la secció del tram de conducció considerat multiplicada per la longitud d’aquest tram, i la velocitat mitjana en un tram determinat és la longitud per unitat de temps, tenim que: qv =
V A⋅L = = A⋅v t t
La densitat és la massa per unitat de volum:
ρ=
m (kg/m3) V
[m3 /s]
en què qv = Cabal volumètric en m3/s. V = Volum de líquid d’un tram de conducció en m3. A = Àrea d’una secció transversal de canonada en m2. L = Longitud del tram en m. v = Velocitat mitjana normal a la secció considerada en m/s.
La potència hidràulica subministrada, per exemple, per una bomba, és l’energia de pressió per unitat de temps.
Unitat 03.indd 63
14/3/08 10:55:22
03
64
BLOC 1. SISTEMES MECÀNICS
Atès que el volum entre el temps és el cabal volumètric, tenim: P=
p ⋅V = p ⋅ qv [W] t
en què P = Potència en W. p = Pressió en Pa. V = Volum en m3. t = Temps en s. qv = Cabal volumètric en m3/s. La potència d’accionament o consumida, Pc, estarà en funció del rendiment de la màquina η. Aquest rendiment té en compte totes les pèrdues de la bomba: internes i mecàniques. Pc =
Pu p ⋅ qv ⇒ Pc = [W] η η
EXEMP LE 1 Un circuit oleohidràulic està alimentat, a través d’una canonada de diàmetre D = 10 mm, per una central que subministra oli a una velocitat v = 2,5 m/s i una pressió constant p = 10 MPa. Determina: a) El cabal qv subministrat per la central hidràulica. b) La potència absorbida Pc si el rendiment total estimat és η = 80 %. Resolució a) El cabal que circula per la canonada és: qv = A ⋅ v =
b) La potència útil subministrada per la bomba és: Pu = p ⋅ qv = 10 ⋅ 106 Pa ⋅ 0, 196 ⋅ 10−3 m3 /s = 1960 W Si el rendiment és del 80 %, la potència absorbida val: Pc =
Pu 1960 W = = 2 450 W η 0, 80
π ⋅ D2 ⋅ v = 0, 196 ⋅ 10−3 m3 /s 4
A C TIVITATS
1> Què és l’oleohidràulica? 2> Quins són els principals avantatges dels sistemes hidràulics o oleohidràulics?
3> Quins inconvenients presenten els sistemes oleohidràulics enfront dels pneumàtics? 4> Fes una taula resum de les característiques oposades entre un cilindre pneumàtic i un d’hidràulic. 5> Enumera alguna de les característiques principals que han de reunir els olis hidràulics. 6> Quan pot ser aconsellable utilitzar un sistema mixt hidropneumàtic?
Unitat 03.indd 64
7> Per què el control de posició en un cilindre pneumàtic és difícil? 8> Per què l’oli és més adequat que l’aigua com a fluid transmissor d’energia en sistemes hidràulics? 9> Un circuit oleohidràulic té les característiques següents: diàmetre de la canonada D = 10 mm, velocitat de l’oli v = 2 m/s a una pressió constant p = 15 MPa. Determina: a) El cabal qv que circula per la canonada. b) La potència consumida Pc pel motor de la central hidràulica si el rendiment estimat és η = 85 %.
14/3/08 10:55:23
OLEOHIDRÀULICA
03
65
j 3.2 El circuit oleohidràulic Un circuit oleohidràulic és un conjunt d’elements disposats de tal manera que mitjançant un oli fa un treball o executa una sèrie d’accions destinades a l’accionament de màquines o mecanismes.
Els elements d’un sistema oleohidràulic són el conjunt d’aparells i dispositius que conformen l’equip i que en permeten un funcionament correcte, així com el seu control i manteniment. Consten essencialment d’una central generadora de pressió (constituïda bàsicament per un grup motobomba i els seus accessoris), conduccions (canonades amb les seves unions), dispositius de regulació i control, i elements de treball.
Motor
Bomba
Elements de transport (canonades i accessoris)
Dispositius de regulació i control
Actuadors o elements de treball
Fig. 3.5. Diagrama de blocs d’un sistema hidràulic.
Els components principals que integren un sistema hidràulic poden dividir-se en quatre grans grups: 䊏 Elements de potència. Són els elements que transformen l’energia mecànica
en hidràulica (grup o grups motobomba...). 䊏 Elements de regulació i control. Són els dispositius encarregats de regular
i controlar els paràmetres del sistema (pressió, cabal, sentit de circulació del fluid, temperatura, etc.). 䊏 Elements de treball. Són el conjunt d’actuadors (cilindres, motors, etc.) que
aprofiten l’energia hidràulica del fluid per tornar-la a convertir en mecànica i així fer el treball. 䊏 Condicionadors i accessoris. Són la resta de components que configuren el
sistema: dipòsits, filtres, manòmetres, pressòstats, intercanviadors de calor, etc. Per poder definir completament un sistema oleohidràulic haurem de conèixer les dades següents: 䊏 Fluid emprat. 䊏 Característiques del motor d’accionament: potència, velocitat, parell, tensió,
etc. 䊏 Característiques de la bomba: pressió, cabal, regulació, etc. 䊏 Tipus i nombre de distribuïdors. 䊏 Longitud i diàmetre de les canonades. 䊏 Característiques dels actuadors hidràulics. 䊏 Esquema de connexions.
Unitat 03.indd 65
14/3/08 10:55:23
03
66
BLOC 1. SISTEMES MECÀNICS
La unitat oleohidràulica La unitat oleohidràulica, també anomenada grup oleohidràulic o central oleohidràulica, és l’encarregada en un sistema oleohidràulic de la producció i control de l’energia oleohidràulica.
P
Fig. 3.6. Central hidràulica.
5
R
4
6
2
3
M 7
8 1
Fig. 3.7. Representació esquemàtica d’una central hidràulica.
És formada, principalment, per:
Fig. 3.8. Símbol del dipòsit.
1. Recipient o dipòsit. 2. Motor d’accionament (normalment elèctric). 3. Bomba (habitualment d’engranatges o pistó). 4. Conducció de sortida d’oli a pressió (P). 5. Vàlvula de seguretat. Quan s’ultrapassa la pressió de regulació, l’oli és retornat al recipient per mantenir la pressió de consigna al circuit. 6. Conducció de retorn de l’oli (R). 7. Filtre de retorn (arribada). 8. Filtre d’aspiració (sortida). 9. Altres elements auxiliars: manòmetre, indicador de nivell, sonda de temperatura, radiador, etc. Les característiques principals més usuals de les centrals oleohidràuliques estàndards de cabal constant són: cabal de la bomba (0,3 L/min a 260 L/min), volum del dipòsit (aproximadament 3 vegades el cabal de la bomba per minut), pressió nominal que cal subministrar (fins a 200 · 105 Pa), potència del motor (de 0,2 a 22kW), filtre d’aspiració de 160 μm i filtre de retorn de 15 μm, vàlvula de seguretat reglada a 1,1 la pressió de servei, temperatura màxima de l’oli (70 °C).
A C TIVITATS
10> Fes un diagrama de bloc d’un sistema oleohidràulic i indica’n els elements principals que formen cada bloc.
11> Com agruparies els components principals que integren un sistema oleohidràulic?
Unitat 03.indd 66
12> Quines dades haurem de conèixer per poder definir completament un sistema oleohidràulic?
13> Quina és la funció d’una central oleohidràulica? Quins elements la componen?
14/3/08 10:55:24
03
OLEOHIDRÀULICA
67
j 3.3 Elements de potència: bombes Les bombes hidràuliques són elements destinats a convertir l’energia mecànica en hidràulica, provocant el moviment del fluid al llarg de les conduccions de la instal·lació.
Les característiques més importants de les bombes són: 䊏 Pressió de treball. És el valor nominal de pressió màxima contínua de treball
per a una velocitat determinada. Alguns fabricants també especifiquen la pressió màxima punta. El valor de la pressió màxima de treball s’acostuma a calcular per a una vida de 10 000 hores; la vida de la bomba augmentarà considerablement si la pressió de treball real és molt inferior a la pressió màxima admissible. 䊏 Cabal o desplaçament geomètric. En totes les bombes hidrostàtiques el
cabal de sortida teòric és el producte de la cilindrada o capacitat per cicle, multiplicat pel nombre de cicles o revolucions per unitat de temps. El desplaçament geomètric és el volum de líquid bombat en una volta completa. Els catàlegs solen expressar-lo en cm3·min–1. El cabal real és inferior al cabal teòric a causa del rendiment volumètric de la bomba.
Pressió (· 105 Pa) 400 300 200 100 0
5
10
15
20
25
30
Milers d'hores Fig. 3.9. Vida de les bombes en funció de la pressió.
cabal (cm3 · min–1) = cilindrada (cm3) · velocitat (min–1)
Tipus
Cabal [cm3 · min–1]
Pressió màxima contínua [bar (105 Pa) a 1 500 min–1]
Pressió màxima punta [bar (105 Pa) a 1 500 min–1]
Velocitat màxima [min–1]
1D2
1,3
220
260
6 000
1D3
2,0
220
260
6 000
1D4
2,7
220
260
5 000
1D5
3,4
220
260
5 000
1D6
4,1
210
250
4 000
1D7
5,1
210
250
4 000
1D9
6,1
200
240
3 800
1D11
7,4
170
200
3 200
1D13
9,1
160
190
2 600
1D16
10,8
140
170
2 200
1D20
13,5
130
160
1 800
Taula 3.2. Característiques de bombes d’engranatge. 䊏 Rendiment volumètric i rendiment total. El rendiment volumètric és la relació en-
tre el cabal real i el cabal teòric. Oscil·la entre el 0,80 i el 0,99 i depèn del tipus de bomba, de la seva construcció, de les toleràncies internes i de les condicions específiques de treball (velocitat, pressió, viscositat del fluid, temperatura, etc.).
Unitat 03.indd 67
14/3/08 10:55:26
68
03
BLOC 1. SISTEMES MECÀNICS
ηv =
qv real qv
teòric
El rendiment total d’una bomba és el producte dels seus rendiments volumètric i mecànic. Pot oscil·lar entre el 0,50 i el 0,90. ηtotal = ηvolumètric ⋅ ηmecànic Podem distingir dues classes de bombes: hidrodinàmiques i hidrostàtiques. Les primeres s’utilitzen per al transvasament de líquids i les segones per a la transmissió d’energia. Les bombes hidrostàtiques poden classificar-se en dos gran grups, en funció del tipus de força que se’ls ha d’aplicar per al seu funcionament: bombes oscil·lants i bombes rotatives. Sortida del fluid
Entrada del fluid
Fig. 3.10a. Bomba centrífuga.
Fig. 3.10b. Bomba centrífuga.
䊏 Bombes hidrodinàmiques. No s’utilitzen en circuits oleohidràulics, només en els
Fig. 3.11a. Bomba d’engranatges. Carcassa Cambra Sortida de fluid
Entrada de fluid
hidràulics. Funcionen generalment mitjançant la força centrífuga; el fluid entra per l’eix i és expulsat cap a l’exterior per mitjà d’un element que gira a gran velocitat; són bombes tipus turbina. S’utilitzen generalment per al transvasament de fluids en aplicacions on la resistència que s’ha de vèncer és petita, atès que la pressió de treball és petita, tot i que poden moure grans cabals de líquid. No disposen de sistemes d’estanquitat entre els orificis d’entrada i de sortida, això fa que pugui bloquejar-se l’orifici de sortida sense cap risc. 䊏 Bombes hidrostàtiques. Són les que subministren la mateixa quantitat de líquid a cada
cicle o revolució de l’element de bombeig, independentment de la pressió del circuit. Les bombes més utilitzades en aplicacions oleohidràuliques són les bombes rotatives d’engranatges externs, les bombes rotatives de paletes i les bombes rotatives de pistons.
Bombes rotatives d’engranatges externs
Engranatges
Símbol
Fig. 3.11b. Secció d’una bomba d’engranatges i símbol.
Unitat 03.indd 68
Les bombes rotatives d’engranatges externs produeixen cabal en transportar el fluid entre les dents de dos engranatges perfectament acoblats. Un engranatge és accionat directament per l’eix de la bomba (motriu), el qual fa girar l’altre engranatge. És segurament el tipus de bomba més emprada en instal·lacions oleohidràuliques, en especial en instal·lacions mòbils (maquinària d’obres públiques, de mineria...), per la seva senzillesa i economia, malgrat ser les més sorolloses del mercat i tenir un rendiment relativament baix (particularment a pressions baixes i cabals reduïts). Són les menys sensibles als contaminants del fluid. El rendiment volumètric només pot arribar al 93 % en condicions òptimes. La pressió de servei pot arribar a 300 bar i la velocitat màxima fins a 7 000 min–1.
14/3/08 10:55:26
03
OLEOHIDRÀULICA
69
Bombes rotatives de paletes Representa un altre tipus de bomba hidràulica hidrostàtica, i pot ser de cabal fix o variable. La gamma d’utilització de cabals és molt àmplia, oscil·la entre 2,5 L/min i 300 L/min. Aquesta classe de bombes treballen a baixa pressió, entre 0 i 140 bar, a velocitats que varien entre 500 i 3 000 min–1. El principi de funcionament es basa en un rotor en el qual s’allotgen unes paletes mòbils que giren en un estatge o anell. Les cambres de bombeig es formen entre les paletes, el rotor i l’allotjament dins una cambra.
Entrada del fluid
Sortida del fluid
Símbol
Paleta
Rotor
Carter
Fig. 3.12. Símbol i secció d’una bomba de paletes.
Bombes rotatives de pistons Són bombes hidrostàtiques rotatives que utilitzen el principi de les bombes oscil·lants per produir cabal. En lloc de tenir un sol cilindre, aquestes bombes disposen de molts conjunts de pistó-cilindre. Part del mecanisme de la bomba gira al voltant d’un eix motriu que genera el moviment oscil·lant del pistó dins el cilindre, i fa que aquest aspiri el fluid cap a l’interior del cilindre en el recorregut d’expansió i que, posteriorment, l’expulsi en la seva cursa de compressió, la qual cosa produeix el cabal de fluid. Rotor Estator Molla
Pistons
Excentricitat
Símbol Sortida de fluid
Entrada de fluid
Fig. 3.13a. Símbol i secció d’una bomba de pistons radials.
Fig. 3.13b. Bomba de pistons.
Hi ha dues classes de bombes de pistons: les de pistons axials i les de pistons radials. La principal diferència rau en la disposició dels pistons respecte de l’eix de la bomba. Poden ser de cilindrada fixa o variable. Aquestes bombes ofereixen generalment pressions de treball més elevades i una varietat de cabals més gran que les bombes d’engranatges o paletes. El rendiment també sol ser millor.
A C T I V I TAT S
Unitat 03.indd 69
14> En una instal·lació oleohidràulica, quins compo-
16> Fes un esquema amb els tipus de bombes hidràuli-
nents formen bàsicament els elements de potència? Quina és la seva funció? 15> Quines són les característiques més importants de les bombes hidràuliques?
ques més importants, i assenyala’n les seves característiques principals. 17> Quin tipus de bomba hidràulica ofereix millor rendiment?
14/3/08 10:55:27
70
03
BLOC 1. SISTEMES MECÀNICS
j 3.4 Elements de regulació i control El fluid subministrat per la bomba a una pressió determinada, un cop introduït en el circuit hidràulic, caldrà controlar-lo, regular-lo i distribuir-lo segons les nostres necessitats. Per fer aquesta funció de govern del nostre sistema hidràulic es fan servir les vàlvules.
Les vàlvules permeten regular i controlar els paràmetres de pressió i cabal, així com dirigir, distribuir o bloquejar el pas del fluid per accionar els elements de treball (cilindres, motors, etc.).
Es poden classificar en tres grans grups, atesa la funció que duen a terme: 䊏 Vàlvules distribuïdores o direccionals. 䊏 Vàlvules reguladores de cabal. 䊏 Vàlvules reguladores de pressió.
De la mateixa manera que en pneumàtica, els òrgans interns de les vàlvules poden adoptar diverses posicions (dues, tres o més posicions) i cada posició es representa mitjançant un quadrat. Les vies o conduccions internes s’assenyalen mitjançant fletxes en els quadrats. La localització dels orificis és similar a l’explicada en la unitat pneumàtica del primer curs. Les vàlvules oleohidràuliques tenen una representació simbòlica, normalitzada en els esquemes (normes ISO 1219 i CETOP RP3), semblant a les pneumàtiques. Tanmateix, en oleohidràulica cal disposar de conductes de retorn per fer retornar l’oli al dipòsit. Per evitar representar en els esquemes les conduccions de retorn, s’indica al costat de l’escapament el símbol de dipòsit o tanc.
Vàlvules distribuïdores o direccionals
Les vàlvules distribuïdores o vàlvules de control direccional (o simplement vàlvules direccionals) són components hidràulics que obren i tanquen el pas i dirigeixen el fluid a través de les diferents conduccions de la instal·lació, i fan possible el govern dels elements de treball.
El seu funcionament és similar al de les vàlvules distribuïdores pneumàtiques, així com les seves característiques funcionals i la seva representació gràfica. Les vàlvules distribuïdores més usuals són les de 4 vies i 3 posicions. També podem trobar amb certa freqüència les de 4/2 i 2/2.
Vàlvula unidireccional Les vàlvules unidireccionals són un tipus particular de vàlvules direccionals; són les que permeten el flux del fluid en un únic sentit, i les que eviten el pas del fluid en sentit invers. Poden ser de dos tipus: vàlvula antiretorn i vàlvula antiretorn pilotada.
Unitat 03.indd 70
14/3/08 10:55:28
03
OLEOHIDRÀULICA
71
䊏 Les vàlvules antiretorn, molt utilitzades en sistemes oleohidràulics, són les unidi-
reccionals més senzilles de funcionament i construcció. Es tracta d’una vàlvula normalment tancada per mitjà d’un con o d’una bola associats a una molla (fig. 3.14). En un sentit, el fluid venç la força de la molla i deixa el pas lliure. En el sentit contrari, la força de la molla se suma a la pressió del fluid i tanca el pas.
Fig. 3.14a. Vàlvula antiretorn (oberta i tancada).
Fig. 3.14b. Vàlvula antiretorn.
䊏 La vàlvula antiretorn pilotada solament permet, en condicions normals, el flux del
fluid en un sentit. Malgrat això, mitjançant l’acció d’un pilotatge extern, pot permetre el flux en sentit invers.
Vàlvula distribuïdora 2/2 És la més senzilla de les vàlvules. Pot ser normalment oberta o normalment tancada i serveix per governar el pas del fluid, és a dir, com una simple clau de pas. L’accionament d’aquestes vàlvules es pot dur a terme mitjançant diferents sistemes: mecànic, elèctric i pilotat (oleohidràulic). De vegades, també s’utilitzen per pilotar altres vàlvules dins el circuit oleohidràulic, les quals requereixen més esforç per governar-les.
Molla
Drenatge
Entrada Símbol Sortida
Fig. 3.15. Vàlvula antiretorn pilotada.
Fig. 3.16. Vàlvula distribuïdora 2/2.
Unitat 03.indd 71
14/3/08 10:55:28
72
03
BLOC 1. SISTEMES MECÀNICS
Vàlvula distribuïdora 4/2 Aquesta vàlvula s’utilitza per governar cilindres hidràulics de doble efecte. Permet el pas del fluid en ambdós sentits. Quan la vàlvula és en repòs, la via d’entrada P està connectada amb la d’utilització A, mentre que l’altra via d’entrada B està connectada amb la d’escapament T. En accionar la vàlvula, les vies canvien de posició, el fluid circula de P cap a B i de A cap a T. A B a b P T
Símbol
(b)
(a) T
B
P A
T
B
P A
Fig. 3.17. Vàlvula distribuïdora 4/2.
Vàlvula distribuïdora 4/3 De la mateixa manera que la vàlvula 4/2, serveix per governar cilindres de doble efecte. Amb tot, tenen una posició intermèdia que permet diferents possibilitats de funcionament, com ara bloquejar l’element de treball en posicions intermèdies del seu recorregut. També s’utilitzen per a l’accionament de motors oleohidràulics. Encara que la majoria de vàlvules distribuïdores utilitzades siguin les d’inversió axial o de corredora, hi ha un altre tipus de vàlvules d’inversió radial. La figura 3.19 mostra un exemple de vàlvula rotativa de 4 vies i 3 posicions.
Símbol
Fig. 3.18a. Vàlvula distribuïdora 4/3.
Fig. 3.18b. Vàlvula distribuïdora 4/3.
Fig. 3.19. Vàlvula distribuïdora rotativa 4/3.
Unitat 03.indd 72
14/3/08 10:55:29
03
OLEOHIDRÀULICA
Vàlvules reguladores de cabal
p1
Per modificar la velocitat dels elements de treball s’utilitzen les vàlvules reguladores de cabal, que permeten variar la velocitat dels actuadors oleohidràulics i regular el cabal d’alimentació, és a dir, delimitar el volum de líquid per unitat de temps.
73
p2
p A
B
Símbol
Si atenem a la possibilitat de poder regular el cabal que passa a través de la vàlvula, aquestes es poden classificar en dos tipus: vàlvules reguladores de cabal fix i vàlvules reguladores de cabal variable.
Fig. 3.20. Vàlvula reguladora de cabal fix.
p2 p1
Vàlvules reguladores de cabal variable La vàlvula reguladora de cabal variable més senzilla és la vàlvula reguladora de cabal per caragol o vàlvula d’agulla, en la qual, a mesura que s’obre el comandament de regulació, el cabal que passa a través seu s’incrementa. Tanmateix, aquest tipus tan senzill de vàlvules reguladores de cabal no estan compensades, la qual cosa implica que la retenció que produeix es transforma en calor. Per aquest motiu, són vàlvules poc utilitzades a causa de la generació de temperatura. En aquest tipus de vàlvula el cabal regulat depèn també de la pressió del circuit, ja que en augmentar la pressió també augmentarà el cabal que passa a través de la vàlvula, encara que amb una pèrdua de càrrega més gran.
A
B Símbol
Fig. 3.21. Vàlvula reguladora de cabal per caragol.
Les vàlvules reguladores de cabal compensades són les més utilitzades en assegurar una velocitat més estable dels actuadors, ja que mantenen el cabal constant independentment de la pressió del fluid.
Al dipòsit
A
Vàlvula de seguretat B
Cabal regulador
(a) A
Orifici de regulació
B Símbol
Entrada
Corredora
A
Fig. 3.22. Vàlvula reguladora de cabal compensada.
Les vàlvules reguladores de cabal, tant compensades com no compensades, poden portar incorporat un antiretorn que fa que la regulació del cabal es dugui a terme només en el sentit de la circulació del fluid, i que no tingui efecte en sentit contrari.
Unitat 03.indd 73
B
(b)
Fig. 3.23. Vàlvula reguladora de cabal amb antiretorn.
14/3/08 10:55:30
74
03
BLOC 1. SISTEMES MECÀNICS
Vàlvules reguladores de pressió Les vàlvules reguladores de pressió són elements que condicionen la pressió a un valor constant de treball. Lògicament, són vàlvules reductores que mantenen pressions inferiors a les del sistema en una conducció determinada.
En podem distingir diferents tipus: vàlvules reguladores de pressió (pròpiament dites), vàlvules limitadores de pressió, vàlvules de seqüència, vàlvules de contrapressió i vàlvules de descàrrega.
Vàlvules reguladores de pressió Tenen com a objectiu reduir la pressió d’entrada fins a un valor inferior regulable de sortida. Són vàlvules de dues vies, normalment, obertes gràcies a la força de la molla, les quals redueixen la pressió quan el valor en la sortida supera el de regulació, i tanquen el pas mitjançant un pistó o corredora. N’hi ha de dos tipus: les d’acció directa i les pilotades. En una vàlvula reguladora de pressió pilotada, la reducció de pressió s’efectua hidràulicament en equilibrar la corredora per la pressió de sortida. Ofereixen regulacions més ajustades. Les vàlvules reguladores de pressió de dues vies tenen, però, alguns desavantatges: 䊏 Necessiten una vàlvula limitadora de pressió addicional per a les sobrecàrregues Fig. 3.24. Vàlvula reguladora (reductora) de pressió amb descàrrega.
(cops d’ariet) provinents dels actuadors oleohidràulics. 䊏 Si no hi ha circulació del flux per part de l’actuador, no poden ajustar-se a una pressió
més baixa.
Vàlvules limitadores de pressió Són un dispositiu de protecció i de seguretat dels circuits oleohidràulics contra les sobrepressions i les sobrecàrregues. Tenen per objecte limitar o assegurar una pressió màxima de treball. S’anomenen també vàlvules de seguretat. S’acostumen a col·locar immediatament després de la bomba, amb la finalitat de limitar la pressió màxima del circuit i evitar, així, possibles accidents.
Tancada
Oberta
Unitat 03.indd 74
Símbol
Fig. 3.25. Vàlvula limitadora de pressió.
14/3/08 10:55:31
OLEOHIDRÀULICA
03
75
Servovàlvules i vàlvules proporcionals Són un tipus especial de vàlvules en què el desplaçament de la corredora s’efectua amb suficient precisió per regular el cabal o la pressió del circuit. Avui dia, aquests components són cada cop més freqüents en els sistemes oleohidràulics.
Les servovàlvules són vàlvules direccionals de més d’una via que en funció del senyal de realimentació subministrat per un transductor que controla la posició de l’actuador, efectuen funcions de regulació de cabal o de pressió amb gran sensibilitat.
El desplaçament de la corredora es du a terme mitjançant d’un motor elèctric que regula amb precisió la seva posició.
Les vàlvules proporcionals són aquelles que regulen el cabal o la pressió de manera proporcional al senyal elèctric que reben.
El control es fa mitjançant l’acció d’un solenoide proporcional. Ofereixen una gran precisió a baix cost, ja que són més econòmiques que les servovàlvules. N’hi ha algunes que tenen incorporada la realimentació elèctrica per poder fer una regulació més exacta.
Solenoide
Solenoide (electroimant)
Fig. 3.26. Vàlvula direccional proporcional.
A C T I V I TAT S
Unitat 03.indd 75
18> Com es poden classificar les vàlvules atesa la fun-
22> Quina funció duen a terme les vàlvules limitadores
ció que duen a terme? Per què s’utilitzen en un circuit hidràulic o oleohidràulic? 19> Quina és la vàlvula distribuïdora més utilitzada? Segons el teu parer, per què? Dibuixa’n el símbol. 20> Per què és necessari emprar, en la majoria de circuits oleohidràulics, vàlvules reguladores de cabal? 21> Què és una vàlvula proporcional? I una servovàlvula?
de pressió en un circuit oleohidràulic? On solen col·locar-se? 23> Quina diferència hi ha entre una vàlvula reguladora de pressió d’acció directa i una de pilotada? 24> Per què serveix una vàlvula distribuïdora 2/2? 25> Què són les vàlvules antiretorn? Posa un exemple en el qual quedi clarament reflectida la seva utilitat en un circuit oleohidràulic.
14/3/08 10:55:31
03
76
BLOC 1. SISTEMES MECÀNICS
j 3.5 Elements de treball: cilindres i motors Els elements de treball o actuadors són els components que desenvolupen la força i el moviment necessaris en la instal·lació per dur a terme el treball requerit pel sistema, mitjançant la transformació de l’energia hidràulica o oleohidràulica, obtinguda per la bomba i regulada i controlada pels diferents elements de distribució i regulació, en energia mecànica. En funció del moviment i del treball que facin, els actuadors es classifiquen en: lineals (cilindres) i rotatius (motors hidràulics i oleohidràulics). Fig. 3.27. Cilindre hidràulic.
Cilindres
Els cilindres són actuadors que transformen l’energia hidràulica o oleohidràulica en una força lineal.
Podem distingir-ne, de la mateixa manera que en pneumàtica, dos tipus: cilindres de simple efecte i cilindres de doble efecte. Símbol
Fig. 3.28a. Cilindre de simple efecte.
En els cilindres de simple efecte el fluid entra i surt per una única cambra, per tant, la força lineal es duu a terme en un únic sentit. La recuperació o moviment en sentit contrari s’efectua per molla o per forces externes al mateix sistema (gravetat, forces mecàniques, etc.). Malgrat que els cilindres de simple efecte són prou utilitzats, la majoria dels cilindres dels sistemes hidràulics és de doble efecte. En els cilindres de doble efecte, a diferència dels anteriors, el treball es fa tant en l’avanç com en el retrocés. Quan el flux del fluid entra en la cambra posterior i el contingut de la cambra anterior s’evacua, la tija surt i s’efectua la cursa d’avanç del cilindre. En invertir l’entrada del flux a la cambra anterior, mentre el fluid contingut en la cambra posterior s’evacua al tanc, la tija entra i el cilindre efectua la cursa de retrocés.
Avanç (a)
En el mercat hi ha una gran varietat de models i tipus de cilindres. Així, en hidràulica també es troben cilindres especials, com ara cilindres de doble tija, cilindres cecs, cilindres telescòpics, etc.
Retrocés (b)
Símbol
Fig. 3.28b. Cilindre hidràulic de doble efecte.
Fig. 3.29. Cilindres de doble tija, cec i telescòpic.
Unitat 03.indd 76
14/3/08 10:55:32
OLEOHIDRÀULICA
03
77
E X E M P LE 2 Determina les característiques d’un cilindre (diàmetre normalitzat del cilindre i de la seva tija d’acord amb la taula adjunta) per poder efectuar una força mínima F = 104 N en la cursa d’avanç. El grup hidràulic subministra una pressió constant al circuit de p = 100·105 Pa = 10 MPa. Suposa unes pèrdues totals del 8 %. ∅ cilindre (mm)
32
40
50
63
80
100
125
160
200
∅ tija (mm)
14
18
22
28
36
45
56
70
90
Resolució Per compensar les pèrdues per fricció del 8 % (rendiment = 92 %), el cilindre haurà de ser capaç d’efectuar una força mínima de: F =
10 000 N = 10 869, 6 N 0, 92
Per determinar el diàmetre teòric apliquem l’expressió següent:
F = p⋅ A = p⋅
π ⋅ D2 →D= 4
4 ⋅F 4 ⋅ 10 869, 6 N = = 0, 0372 m = 37, 2 mm π⋅p π ⋅ 100 ⋅ 105 Paa
Per tant, el cilindre normalitzat serà de ∅ = 40 mm i ∅ tija = 18 mm.
E X E M P LE 3 Calcula la velocitat d’avanç va i de retrocés vr d’un cilindre hidràulic de doble efecte de ∅ = 80 mm de diàmetre interior (∅ tija = 36 mm), alimentat per un cabal d’oli qv = 25·10–5 m3/s. Resolució La velocitat d’avanç és: v=
4 ⋅ qv qv qv 4 ⋅ 25 ⋅ 10−5 m3 /s = = = = 0, 0497 m/s A π ⋅ D2 π ⋅ D2 π ⋅ 0, 082 m2 4
La velocitat de retrocés, en canvi, és sensiblement més gran: v=
Unitat 03.indd 77
4 ⋅ qv qv qv 4 ⋅ 25 ⋅ 10−5 m3 /s = = = = 0, 0624 m/s 2 2 2 2 A π ⋅ (D − d ) π ⋅ (D − d ) π ⋅ (0, 0802 − 0, 0362 ) m2 4
14/3/08 10:55:32
78
03
BLOC 1. SISTEMES MECÀNICS
Motors hidràulics i oleohidràulics
Els motors hidràulics i oleohidràulics són els elements que transformen l’energia hidràulica en energia mecànica rotativa.
Pistons Símbol
Fig. 3.30a. Motor hidràulic de pistons axials.
Fig. 3.30b. Motor hidràulic de pistons.
Funcionen de manera inversa a les bombes. Els més utilitzats són: els motors de pistons, els motors d’engranatges i els motors de paletes. La seva configuració és semblant a la de les bombes de la mateixa denominació. Els motors de pistons són els més utilitzats gràcies a les seves excel·lents prestacions. També són bastant emprats els motors d’engranatges ja que són senzills, econòmics, de mida reduïda i de fàcil acoblament.
ACT I VI TAT S Fig. 3.30c. Motor hidràulic per un camió de transport de formigó
26> Quina vàlvula direccional utilitzaries per governar un cilindre de simple efecte?
27> Per què creus que són més utilitzats els cilindres de doble efecte en sistemes hidràulics o oleohidràulics? 28> Podria emprar-se una bomba com a motor hidràulic? 29> Calcula la velocitat d’avanç va i de retrocés vr d’un cilindre hidràulic de doble efecte de ∅ = 63 mm de diàmetre interior ( ∅ tija = 28 mm ), alimentat per un cabal d’oli qv = 175·10–6 m3/s. 30> Determina les característiques d’un cilindre (diàmetre normalitzat del cilindre i de la seva tija d’acord amb la taula adjunta) per poder efectuar una força mínima F = 15 000 N en la cursa d’avanç. El grup hidràulic subministra una pressió constant al circuit p = 120·105 Pa = 12 MPa. Suposa unes pèrdues totals per fricció del 10 %.
Unitat 03.indd 78
∅ cilindre [mm]
32
40
50
63
80
100
125
160
200
∅ tija [mm]
14
18
22
28
36
45
56
70
90
14/3/08 10:55:33
03
OLEOHIDRÀULICA
79
j 3.6 Disseny de circuits oleohidràulics La fase de disseny d’un circuit hidràulic comporta, d’una banda, el càlcul i la definició concreta dels components en funció de les necessitats del sistema (pressió, cabal...) i, de l’altra, la confecció del croquis o esquema del circuit. Com ja hem vist, per trobar la millor solució a un procés industrial determinat, és fonamental conèixer el mecanisme que cal accionar i les seves característiques funcionals (velocitats, forces, temps, cicles, etc.), així com les limitacions que presenta (potència disponible, espais, tipus d’energia, etc.). En la concepció d’un circuit oleohidràulic cal determinar primer quins elements col·locarem i com els interconnectarem perquè el circuit treballi segons la seqüència prevista. En aquesta fase és fonamental el coneixement de les funcions dels diferents components disponibles al mercat. A continuació, hem de dimensionar els components d’acord amb els requeriments del sistema i les lleis de la mecànica de fluids. Els diagrames de seqüències de treball i representacions gràfiques més importants que fem servir per al disseny de circuits pneumàtics serveixen també per als circuits hidràulics o oleohidràulics. L’esquema hidràulic d’una aplicació real ha de ser complet i dibuixar-se de manera clara i precisa per tal de facilitar la seva interpretació. Encara que no és l’objecte d’aquesta unitat arribar a aquest nivell d’aprofundiment i detall, en una aplicació oleohidràulica real resulta convenient adjuntar una memòria resumida del funcionament del circuit i de les prescripcions tècniques necessàries per al seu muntatge i posada en marxa. També cal fer una llista que tingui en compte les característiques més significatives dels components del circuit: referència, model, descripció, nombre d’unitats, etc. Així, per exemple, en una bomba hauríem de definir i concretar el tipus, la velocitat de funcionament, la cilindrada, la pressió de treball, etc.; en un cilindre, en canvi, la longitud de la cursa, el diamètre interior, el diàmetre de la tija, la gruixària de les parets, etc.
p2
A p1 Element de regulació
P
a
b
Element de comandament
T Grup de pressió
M
Fig. 3.31. Comandament d’un cilindre de simple efecte.
Un exemple de circuit oleohidràulic podria ser un sistema empenyedor de peces, que consta bàsicament, com a element actuador, d’un cilindre oleohidràulic de simple efecte. Un circuit elemental oleohidràulic per comandar directament el cilindre de simple efecte del nostre exemple és el que es mostra en la figura 3.31, molt similar al d’un cilindre pneumàtic, a excepció del grup d’accionament que proporciona el cabal del fluid i d’algun altre element auxiliar de seguretat. Com podem observar en l’esquema de la figura 3.32, en el circuit hi ha muntada una vàlvula limitadora de pressió, a fi i efecte que la pressió del sistema hidràulic no ultrapassi el valor admissible, i un manòmetre per llegir la pressió. Per comandar el cilindre de simple efecte es fa servir una vàlvula distribuïdora 3/2 (tancada en posició de repòs) amb comandament manual. En accionar-la, es comunica P amb A (posició b), i la tija del cilindre de simple efecte avança fins al final del seu recorregut. En deixar de prémer, es comunica A amb T, i el líquid a pressió surt del cilindre cap al tanc o dipòsit. La tija del cilindre retrocedirà immediatament fins a la seva posició inicial si el cilindre té retorn per molla, o bé ho farà quan actuï la força exterior que el fa retrocedir.
Unitat 03.indd 79
Rodets
Fig. 3.32. Croquis d’un sistema empenyedor de peces.
14/3/08 10:55:35
03
80
BLOC 1. SISTEMES MECÀNICS
Imaginem ara que volem dissenyar el circuit oleohidràulic d’una plataforma elevadora com la de la figura 3.33, accionada per un cilindre de doble efecte.
A a
Fig. 3.33. Plataforma elevadora.
P
B b T a p1
M
Fig. 3.34. Comandament d’un cilindre de doble efecte mitjançant una vàlvula 4/2.
A P
M
Fig. 3.35. Comandament d’un cilindre de doble efecte mitjançant una vàlvula 4/3.
El circuit elemental del comandament del cilindre de doble efecte és semblant al circuit anterior. La diferència rau en el fet que per comandar-lo fem servir una vàlvula distribuïdora 4/2. En repòs, P es comunica amb A i B amb T, la qual cosa fa que el fluid a pressió ocupi la cambra anterior del cilindre i aquest romangui amb la tija entrada. En accionar la vàlvula distribuïdora manualment, el cilindre avança ja que B es comunica amb P i A amb T (posició b).
B a b
p1
A B o b P T
T
M
Fig. 3.36. Comandament d’un cilindre de doble efecte amb regulació de la velocitat.
En algunes aplicacions ens pot interessar poder aturar el cilindre en posicions intermèdies del seu recorregut. Per poder-ho fer necessitem comandar el cilindre per mitjà d’una vàlvula distribuïdora 4/3, la qual disposa d’una posició intermèdia O, amb dos orificis tancats (A i B) i dos interconnectats (P i T), això provoca que el cilindre s’aturi i que el líquid que procedeix de la bomba s’evacuï sense pressió cap al dipòsit, sense escalfar-se i sense necessitat de passar per la vàlvula limitadora de pressió. El funcionament de les posicions a i b, així com de la resta del circuit, és similar al circuit anterior. Sovint és necessari poder regular la velocitat dels cilindres. Considerem que volem regular la velocitat d’elevació del sistema de l’exemple anterior. El procediment més simple de control de la velocitat, semblant a l’explicat per a sistemes pneumàtics, és mitjançant l’ús d’un regulador de cabal a l’entrada o a la sortida del cilindre. La figura 3.36 mostra l’esquema hidràulic del comandament directe d’un cilindre de doble efecte amb regulació de la velocitat en avanç. El regulador de cabal unidireccional, col·locat a l’entrada, només estrangula el flux d’oli en sentit d’avanç, ja que porta incorporada una vàlvula antiretorn que permet que el fluid circuli lliurement en sentit contrari.
Q
Fig. 3.37. Sistema d’elevació de càrregues.
Unitat 03.indd 80
En nombroses aplicacions, aquest circuit tan elemental de regulació de la velocitat d’un cilindre no és utilitzat, ja que presenta problemes de batzegades més o menys fortes durant el desplaçament de la tija. Les causes per les quals succeeix això són diverses: fricció variable produïda pel lliscament, adherència de l’èmbol, resistències de treball variables, pes de la càrrega, etc. Aquest fenomen es presenta de manera molt acusada quan l’èmbol és empès pel líquid a pressió, i també, quan l’èmbol és empès pel pes de la càrrega o bé quan les velocitats d’arrencada són lentes i la resistència de treball és variable. Suposem un sistema d’elevació de càrregues com el de la figura 3.37.
14/3/08 10:55:36
OLEOHIDRÀULICA
03
81
Per solucionar aquest problema en l’avanç del cilindre, cal introduir petites variacions al circuit anterior i col·locar una vàlvula limitadora de pressió a la sortida de la cambra anterior del cilindre.
p2 p3
A
B a b
P p1
T
M
Fig. 3.38. Comandament d’un cilindre de doble efecte amb sistema millorat de regulació de velocitat 4/2.
En actuar sobre el comandament manual de la vàlvula distribuïdora 4/2, el flux del líquid circula cap a la cambra posterior del cilindre, i actua sobre l’èmbol amb una pressió p2 i fa que aquest avanci. La pressió p2 pot arribar fins a la pressió p1. La vàlvula limitadora de pressió col·locada a la sortida produeix una contrapressió p3, i evita que l’èmbol es desplaci a batzegades o que la càrrega l’estiri. Aquest sistema de regulació de la velocitat o algun altre d’equivalent és utilitzat, per exemple, en màquines eines per aconseguir un avanç uniforme de l’eina sense sotragades. El resultat és un acabat de millor qualitat i una vida més llarga de l’eina.
Simbologia hidràulica
Dipòsit Vàlvula reguladora de cabal amb antiretorn
Clau de pas
Filtre
Grup de pressió
Grup de pressió amb regulació
Vàlvula limitadora de pressió
Cilindre doble efecte
Vàlvula reguladora reductora de pressió amb descàrrega
Vàlvula de seqüència
Cilindre doble efecte telescòpic
Distribuidor 4/3 amb accionament per palanca
Cilindre simple efecte
Fig. 3.39
Programari específic. Simuladors Al mercat hi ha diversos programes informàtics de disseny i simulació de circuits hidràulics, com ara FluidSIM o Automation Studio, els quals representen una eina de gran ajuda a l’hora de dissenyar i implementar aplicacions hidràuliques. També són de molta utilitat per a l’ensenyament i l’aprenentatge de la hidràulica. A Internet podem trobar versions demostració d’alguns d’aquests programes, encara que amb limitacions d’ús, però amb els quals podrem dur a terme la simulació de circuits hidràulics senzills.
Unitat 03.indd 81
14/3/08 10:55:36
03
82
BLOC 1. SISTEMES MECÀNICS
A C TIVITATS
31> Dissenya l’esquema oleohidràulic de l’aplicació de la figura per mitjà d’un cilindre de doble efecte governat directament per una vàlvula distribuïdora accionada manualment per polsador.
regut, tant de pujada com de baixada, així com poder regular la velocitat de desplaçament.
Fig. 3.42 Fig. 3.40
32> Confecciona l’esquema del dispositiu hidràulic de la figura utilitzat per governar el moviment d’obertura i de tancament de les dues portes. En prémer el polsador d’obertura, les portes s’han d’obrir i restar obertes fins que es premi el polsador de tancament. La velocitat d’obertura i tancament de les portes s’ha de poder regular.
34> Elabora l’esquema hidràulic del dispositiu de la figura utilitzat per accionar una tapa de protecció d’una màquina. En actuar manualment sobre una vàlvula distribuïdora la tapa ha de baixar i romandre en aquesta posició fins que es torni a actuar sobre la mateixa vàlvula. En dissenyar el circuit s’ha d’evitar que el cilindre presenti problemes de batzegades en fer baixar la tapa de protecció.
Fig. 3.43 Fig. 3.41
33> Dissenya el circuit hidràulic de la plataforma elevadora de la figura utilitzant un cilindre de doble efecte. El sistema ha de possibilitar que la plataforma s’aturi en qualsevol posició del seu recor-
Unitat 03.indd 82
35> Per mitjà d’un programa informàtic de simulació hidràulica que hi hagi a la teva escola o institut, o d’alguna versió demostració que pots descarregarte d’Internet, fes la simulació del comandament directe i indirecte d’un cilindre de simple efecte i d’un de doble efecte. També pots simular el funcionament dels circuits oleohidràulics de les activitats anteriors.
14/3/08 10:55:37
OLEOHIDRÀULICA
03
83
Ciència, tecnologia i societat La hidràulica i l’oleohidràulica La hidràulica no és una tècnica recent. Cap a l’any 250 aC, Arquímedes ja havia investigat alguns dels principis de la hidràulica, les tècniques de la qual ja s’utilitzaven feia temps, principalment a sistemes de regadiu i de distribució d’aigua per ciutats. Tanmateix, la primera descripció d’una roda hidràulica a Occident és obra de l’enginyer romà Vitruvi del segle I aC. Posteriorment, es continuaren utilitzant i, en l’actualitat, encara se’n conserven algunes. A partir de llavors, van ser els àrabs els que van desenvolupar grans projectes i tècniques en aquest camp.
Fig. 3.45. Premses hidràuliques, sistema Pfeiffer, d’inicis del segle XX. Fig. 3.44. Elevador hidràulic reproduït a l’obra De Re Metallica de Georgius Agricola.
Ara bé, es pot considerar el francès Blaise Pascal com el gran precursor de la hidràulica. L’any 1653 descobrí el principi que porta el seu nom i que es considera un dels principis fonamentals de la hidrostàtica, segons el qual la pressió exercida en qualsevol punt d’un fluid, que omple totalment l’espai que el limita, es transmet íntegrament en totes direccions.
Actualment, amb l’oleohidràulica o tècnica de l’oli, basada en els mateixos principis, funcionen un gran nombre de màquines i dispositius. No solament de l’àmbit industrial, sinó també en maquinària d’elevació, d’obres públiques, com excavadores, camions, etc.
Des de llavors es començaren a desenvolupar tècniques de transmissió mitjançant fluids confinats a recipients i canonades, i controlats per vàlvules i accessoris que es van desenvolupar posteriorment. El primer mecanisme hidràulic basat en el principi de Pascal que es va construir va ser una premsa hidràulica, ideada pel mecànic britànic Joseph Bramah el segle XVIII. Es tractava d’una premsa que utilitzava aigua com a líquid transmissor d’energia i que era accionada mitjançant una bomba manual.
Unitat 03.indd 83
Fig. 3.46
14/3/08 10:55:37
03
84
BLOC 1. SISTEMES MECÀNICS
Activitats finals Qüestions 1> Els sistemes oleohidràulics són essencialment: a) Sistemes de producció d’energia. b) Sistemes de regulació i control. c) Sistemes de transmissió d’energia. d) Cap de les anteriors.
2> Quins tipus de fluids es fan servir en els sistemes hidràulics? a) Olis minerals i olis vegetals. b) Líquids sintètics. c) Líquids de base aquosa. d) Tots els anteriors.
3> Quina de les característiques següents no suposa un avantatge dels sistemes oleohidràulics respecte dels pneumàtics? a) Fàcil regulació de la velocitat. b) Transmissió de grans potències. c) Control de la posició. d) Moviments ràpids.
4> Quina de les afirmacions següents no representa un paràmetre característic dels sistemes pneumàtics? a) Senzillesa. b) Precisió de la posició. c) Acumuladors d’energia. d) Econòmics.
5> Quines de les afirmacions següents són correctes? a) Cilindre pneumàtic lent; cilindre hidràulic ràpid. b Força del cilindre pneumàtic petita; força del cilindre hidràulic gran. c) Control de posició del cilindre hidràulic difícil. d) El cilindre hidràulic és adequat per efectuar un control de la velocitat.
c) Que resulti econòmicament viable. d) Reduir espai.
7> Quina de les característiques següents dels líquids hidràulics no és adequada? a) Tenir bon rendiment en la transmissió d’energia. b) Tenir bon comportament amb la temperatura. c) Ésser un bon lubricant. d) Tenir molta compressibilitat.
8> El treball que pot desenvolupar un sistema oleohidràulic depèn fonamentalment: a) De la pressió de l’oli. b) De l’espai que pot recórrer l’oli per les canonades. c) Del cabal d’oli. d) Només de la potència del motor d’accionament. Exercicis 1> Determina les característiques d’un cilindre (diàmetre normalitzat del cilindre i de la seva tija d’acord amb la taula adjunta) per poder efectuar una força mínima F = 25 000 N en la cursa d’avanç. El grup hidràulic subministra una pressió constant al circuit p = 150·105 Pa = 15 MPa. Suposa unes pèrdues totals del 10 %. ∅ cilindre [mm]
32
40
50
63
80
∅ tija [mm]
14
18
22
28
36
∅ cilindre [mm]
100
125
160
200
∅ tija [mm]
45
56
70
90
R: ∅ cilindre = 50 mm; ∅ tija = 22 mm
2> Dissenya l’esquema oleohidràulic de l’aplicació de la figura per mitjà d’un cilindre de doble efecte governat directament per una vàlvula distribuïdora accionada manualment per polsador. El sistema ha de possibilitar regular la velocitat d’avanç del cilindre.
6> Algunes de les raons que poden aconsellar utilitzar un sistema mixt oleopneumàtic són: a) Simplificar la instal·lació. b) Mantenir un únic sistema de control per governar tota la màquina.
Unitat 03.indd 84
Fig. 3.47
14/3/08 10:55:41
85 BLOC
Avaluació del bloc 1 1> Descriu algun exemple on la calor es transformi en treball útil i a l’inrevés.
2> Per què en una màquina o en un procés reversible l’entropia de l’Univers no varia?
3> Un equip oleohidràulic treballa a una pressió de 12 MPa. Quin serà el diàmetre més adequat del cilindre per efectuar una força mínima en avanç de 12 000 N? a) ∅cilindre 25 mm. b) ∅cilindre 32 mm. c) ∅cilindre 40 mm. d) Cap de les anteriors.
4> (juny 2002) Un motor funciona correctament per a una velocitat de rotació n del seu eix tal que 800 min−1 ≤ n ≤ 4 000 min−1 i en aquest marge de velocitats el parell Γm del motor és pràcticament independent de la velocitat, Γm = 10 N·m. a) Determina la potència mínima i màxima que desenvolupa el motor. b) Dibuixa, indicant les escales, la corba velocitatpotència del motor. Aquest motor acciona una màquina que té un parell resistent Γmàq = k1 + k2 n, on k1 = 3 N·m i k2 = 2·10−3 N·m min−1.
Unitat 03.indd 85
1
c) Dibuixa, indicant les escales, la corba característica de la màquina velocitat-parell resistent en el marge de funcionament del motor. d) Determina la velocitat de funcionament, en min−1, en règim estacionari del conjunt motor i màquina.
5> (juny 2000) El cilindre hidràulic de la figura és alimentat per una bomba que subministra un cabal q. Ø 25/8x30
1
2
Fig. 1
Po = 20 Mpa q = 0,18 L/min ∅èmbol = 25 mm ∅tija = 8 mm a) Determina la velocitat de la tija, en mòdul i sentit, segons si l’alimentació està connectada a l’entrada 1 o a l’entrada 2. b) Dibuixa el gràfic, indicant les escales, de la velocitat de la tija segons el cabal de la bomba si l’alimentació està aplicada a l’entrada 1. c) Determina la potència hidràulica de la bomba si la pressió que proporciona és Po = 20 MPa.
14/3/08 10:55:42