Uno de los componentes más fundamentales de cualquier sistema de potencia de fluidos es la válvula de control direccional. Aquí hay un resumen de los diferentes tipos, configuraciones y usos.
¿Sabía usted que el término Bang-bang usa para describir las válvulas básicas de control direccional? Se refiere a cómo cambian las válvulas, de completamente abiertas a completamente cerradas. Esto generalmente ocurre en un instante, lo que hace que el líquido se acelere y desacelere rápidamente. Bajo ciertas condiciones, esto puede causar un amartillado fluido, que suena como un martillo golpeando el sistema hidráulico desde el interior. Por lo tanto, cambiar la válvula de una posición a otra puede producir un sonido bang-bang.
Un término menos informal para describir estos componentes puede ser: válvulas discretas. Este término se refiere a cómo funcionan las válvulas: cambian de una posición discreta a otra, como extender, retraer y neutralizar.
Las válvulas proporcionales, por otro lado, controlan la dirección y la velocidad. Además de cambiar a posiciones discretas, pueden cambiar a posiciones intermedias para controlar la dirección, velocidad, aceleración y desaceleración del actuador.
Aún más básica que la válvula de control direccional discreta es la válvula binaria. Al igual que en la electrónica digital, las válvulas binarias funcionan encendidas o apagadas. Mientras que las válvulas discretas generalmente usan un carrete para lograr dos, tres o más posiciones, las válvulas discretas usan un émbolo, poppet o bola que se sella contra un asiento. La ventaja de este tipo de operación es que proporciona un sello positivo para evitar fugas entre puertos.
Quizás la más simple de todas las válvulas de control direccional es la válvula antirretorno, un tipo específico de válvula binaria. Las válvulas anti retorno básicas permiten que el fluido fluya en una dirección, pero evitan que el fluido fluya en la dirección opuesta.
La figura 1 muestra una sección transversal de una válvula antirretorno accionada por resorte y su representación ISO 1219.
- La válvula antirretorno básica permite que el fluido fluya en una dirección, en este caso de abajo hacia arriba. Se muestra el símbolo ISO y la foto transversal de la válvula de retención accionada por resorte. El resorte evita que el fluido fluya a menos que la presión aguas abajo que actúa sobre el Popper supere la fuerza del resorte.
Vías y Posiciones de las válvulas direccionales
Las dos características principales para seleccionar una de control direccional son el número de vías de fluido y el número de estados direccionales, o posiciones, que la válvula puede lograr. Los puertos de válvula proporcionan un pasaje para que el fluido hidráulico fluya hacia o desde otros componentes. El número de posiciones se refiere al número de trayectorias de flujo distintas que puede proporcionar una válvula.
Una válvula de carrete de 4 puertos y 3 posiciones sirve como una ilustración conveniente (Fig. 2). Un puerto recibe fluido presurizado de la bomba y otro dirige el fluido de regreso al depósito. Los otros dos puertos generalmente se conocen como puertos de trabajo y dirigen el fluido hacia o desde el actuador. En este caso, un puerto de trabajo dirige el fluido hacia o desde el extremo de la varilla del cilindro, el otro dirige el fluido hacia o desde el extremo de la tapa.
La válvula representada en la Fig. 2 se puede desplazar a cualquiera de las tres posiciones discretas. Como se muestra, en la posición neutral, todos los puertos están bloqueados, por lo que no fluirá ningún fluido. Al desplazar la válvula hacia la derecha, el fluido va desde la bomba hasta el extremo de la varilla del cilindro, lo que hace que el vástago del pistón se retraiga. A medida que el vástago del pistón se retrae, el fluido del extremo de la tapa del cilindro fluye hacia el depósito. El desplazamiento de la válvula hacia la izquierda dirige el fluido desde la bomba hasta el extremo de la tapa del cilindro, lo que hace que el vástago del pistón se extienda. A medida que esto ocurre, el fluido del extremo de la varilla del cilindro fluye hacia el depósito. Devolver el carrete de la válvula a la posición central nuevamente bloquea todo el flujo. (En realidad, se proporcionaría una válvula de alivio entre la bomba y la válvula direccional. Se omite aquí por simplicidad).
- El esquema muestra un circuito simple para controlar la extensión y retracción del cilindro utilizando una válvula de carrete de 4 puertos y 3 posiciones.
Las válvulas de tipo carrete son ampliamente utilizadas porque se pueden cambiar a dos, tres o más posiciones para enrutar el fluido entre diferentes combinaciones de puertos de entrada y salida. Se utilizan ampliamente para el control direccional de actuadores porque una sola válvula puede producir extensión, retracción y neutralidad. Sin embargo, estas mismas funciones se pueden lograr con válvulas binarias. La Figura 3 muestra cuatro válvulas binarias normalmente cerradas (NC) agrupadas en un circuito hidráulico integrado para proporcionar la misma funcionalidad que la válvula de carrete representada en la Fig. 2.
- La disposición de las válvulas binarias en un circuito hidráulico integrado les permite realizar las mismas funciones que las válvulas discretas de tipo carrete, al tiempo que conservan las ventajas de las válvulas binarias.
Sin embargo, se debe hacer una distinción importante entre interruptores hidráulicos y eléctricos binarios. Cuando se cierra un interruptor eléctrico, un elemento de conmutación permite que la corriente eléctrica fluya a través del interruptor. Cuando el interruptor está abierto, la ruta eléctrica se interrumpe, por lo que la corriente no puede fluir. Por el contrario, cuando una válvula hidráulica está abierta, permite que fluya el fluido. Cuando está cerrado, el fluido no puede fluir porque su trayectoria de flujo está bloqueada.
Con todas las válvulas en condición neutra, como se muestra, el flujo de fluido hacia y desde la bomba, el depósito y el actuador está bloqueado. La válvula energizante A dirige el fluido presurizado al extremo de la tapa del cilindro, lo que hace que la varilla se extienda. La válvula D energizante simultáneamente dirige el fluido desde el extremo de la varilla del cilindro hasta el depósito. De manera similar, energizar solo las válvulas B y C hace que la varilla se retraiga y dirija el fluido desde el extremo de la tapa del cilindro hasta el depósito.
Las válvulas de la Fig. 3 están dispuestas para que coincidan con la condición de carrete de centro cerrado de la válvula en la Fig. 2. Una condición de centro abierto (Fig. 4) podría lograrse simplemente haciendo que todas las válvulas binarias estén normalmente abiertas (NO) en lugar de normalmente cerradas. Del mismo modo, las configuraciones de centro de tándem y flotador se pueden lograr mediante el uso de válvulas binarias NO y NC.
- Arriba hay arreglos comunes de carrete central para hacer coincidir las rutas de fluido de posición neutra con la aplicación.
Estas y otras configuraciones comunes de posición central pueden ser bastante especializadas, dependiendo de la aplicación de la válvula. La mayoría de los fabricantes ofrecen una variedad de configuraciones de posición central como artículos estándar, listos para usar. Aunque la gran mayoría de las válvulas de control direccional para aplicaciones industriales son de 2 y 3 posiciones, muchas válvulas utilizadas en equipos móviles vienen en configuraciones de 4 posiciones para adaptarse a necesidades especiales.
Al especificar el tipo específico de válvula necesaria para una aplicación, se ha convertido en una práctica común en América del Norte referirse al número de puertos en una válvula como el ahí, como 2 vías, 3 vías o 4 vías. Sin embargo, las normas internacionales utilizan la palabra puertos. Por lo tanto, lo que se conoce como válvula direccional de 2 vías y 2 posiciones en los EE. se llama válvula de 2 puertos y 2 posiciones a nivel internacional y se puede abreviar 2 /2. El número antes de la barra diagonal identifica el número de puertos, y el segundo número se refiere al número de posiciones.
Válvulas spool o de carrete
La válvula de acción deslizante más común es la válvula tipo carrete (Fig. 5). El fluido se dirige hacia o desde los puertos de trabajo a medida que el carrete se desliza entre los pasajes para abrir y cerrar las rutas de flujo, dependiendo de la posición del carrete. Las válvulas de carrete se adaptan fácilmente a muchos esquemas diferentes de cambio de carrete, lo que amplía su uso en una amplia variedad de aplicaciones.
Muchas aplicaciones móviles requieren medición o estrangulamiento para permitir al operador acelerar o desacelerar lenta o suavemente una carga. En estos casos, el carrete puede modificarse con muescas en V, por ejemplo, de modo que un pequeño desplazamiento del carrete permita aumentar o disminuir gradualmente el fluido. Flujo para acelerar gradualmente o ralentizar el movimiento del actuador y la carga. Esta técnica también se utiliza en válvulas para equipos industriales. Un borde biselado o con muescas en el carrete se conoce comúnmente como una característica de desplazamiento suave.
Una variación de la válvula de carrete simple o múltiple es la válvula de pila, en la que múltiples secciones de carrete y envolvente se atornillan entre una sección de entrada y salida para proporcionar Control de múltiples rutas de flujo. Además de proporcionar una ubicación central de la válvula para el operador de la máquina, la agrupación de válvulas reduce el número de conexiones de fluido involucradas y aumenta la facilidad de sellado. El número de válvulas que se pueden apilar de esta manera varía de un fabricante a otro.
Operadores de válvulas
Los operadores de válvulas son las partes que aplican fuerza para cambiar los elementos de dirección de flujo de una válvula, como carretes, popes y émbolos. La secuencia, el tiempo y la frecuencia del cambio de válvula es un factor clave en el rendimiento del sistema de potencia de fluidos. Siempre que el operador produzca suficiente fuerza para mover la válvula, el diseñador del sistema puede seleccionar cualquier operador apropiado para las condiciones y el tipo de control bajo que operará el sistema.
Los operadores de válvulas de control direccional son mecánicos, piloto, eléctricos y electrónicos, o una combinación de estos. Se pueden instalar diferentes tipos de actuadores en el mismo diseño básico de válvula. A menudo se utiliza una válvula direccional común que prevé el montaje de una variedad de operadores diferentes en su cuerpo.
Con un operador mecánico, un elemento o persona de la máquina aplica fuerza sobre el elemento de dirección de flujo de la válvula para moverlo o cambiarlo a otra posición. Los operadores manuales incluyen palancas, botones de palma, pulsadores y pedales. Los operadores puramente mecánicos incluyen levas, rodillos, palancas, resortes, vástagos y tornillos. Los resortes se utilizan en la mayoría de las válvulas direccionales para mantener el elemento de dirección de flujo en una posición neutral. En las válvulas de 2 posiciones, por ejemplo, los resortes mantienen la válvula no accionada en una posición hasta que una fuerza de accionamiento lo suficientemente grande como para comprimir el resorte desplaza la válvula. Cuando se elimina la fuerza de accionamiento, el resorte devuelve la válvula a su posición original. En las válvulas de 3 posiciones, dos resortes mantienen la válvula no accionada en su posición central hasta que una fuerza de accionamiento la desplaza. Cuando se elimina la fuerza de actuación, los resortes vuelven a centrar la válvula, lo que lleva a la identificación común, la válvula centrada en el resorte. Los retenes son bloqueos que mantienen una válvula en su última posición después de que se elimina la fuerza de accionamiento hasta que se aplica una fuerza más fuerte para cambiar la válvula a otra posición. Los retenes pueden mantener esta nueva posición después de que se elimine nuevamente la fuerza de accionamiento.
La operación mecánica es probablemente la forma más positiva de controlar equipos industriales de potencia de fluidos. Si una válvula debe desplazarse solo cuando un elemento de la máquina está en una posición determinada, el equipo puede diseñarse de modo que el elemento de la máquina desplace físicamente la válvula a través de un Operador mecánico cuando el elemento alcanza la posición correcta. Esta disposición prácticamente elimina cualquier posibilidad de señales falsas o fantasmas de mover la válvula en el momento equivocado.
Sin embargo, el montaje de válvulas operadas mecánicamente en una máquina requiere algunas precauciones especiales. La válvula y el actuador pueden estar expuestos a un ambiente húmedo o sucio que requiere un sellado especial. El actuador probablemente estará sujeto a cargas de impacto, que deben limitarse para evitar daños físicos. La alineación de la válvula con el elemento operativo también es importante, por lo que la válvula debe montarse de manera precisa y segura para una larga vida útil.
Las válvulas accionadas por piloto son desplazadas por fluido presurizado (a menudo alrededor de 50 psi) que aplica fuerza a un pistón que desplaza los elementos de dirección de flujo de la válvula. Una ventaja importante de la operación piloto es que se pueden desarrollar grandes fuerzas de cambio sin el impacto y el desgaste que afectan a las válvulas accionadas mecánicamente. Las válvulas operadas por piloto se pueden montar en cualquier ubicación conveniente o remota a la que se pueda canalizar el fluido a presión. La ausencia de chispas y acumulación de calor hace que las válvulas accionadas por piloto sean atractivas para aplicaciones en entornos inflamables o explosivos.
La operación de válvula eléctrica o electrónica implica energizar un solenoide. La fuerza generada en el émbolo del solenoide cambia el elemento de dirección de flujo de la válvula. Las válvulas accionadas por solenoide son particularmente populares para máquinas industriales debido a la disponibilidad de energía eléctrica en plantas industriales. Sin embargo, el equipo móvil también hace un uso extensivo de válvulas accionadas por solenoide. La selección de solenoides de CA o CC depende de la forma de energía eléctrica disponible. Hubo un tiempo en que los solenoides de CC ofrecían una vida útil más larga, pero las mejoras en los diseños de solenoide de CA han eliminado esa ventaja.
Hay un límite práctico a la fuerza que los solenoides pueden generar. Esto significa que no pueden cambiar directamente las válvulas que requieren altas fuerzas de cambio. Además, las válvulas que utilizan solenoides grandes también consumen una potencia eléctrica sustancial cuando las válvulas deben permanecer accionadas durante largos intervalos. La acumulación de calor también puede plantear problemas en estas situaciones. La solución es utilizar solenoides pequeños y de baja potencia en combinación con la presión piloto. El solenoide inicia y detiene el flujo piloto, y la presión piloto proporciona la alta fuerza para cambiar el mecanismo de dirección de flujo de la válvula (Fig. 5).
- Esta vista de corte de una válvula de control direccional tipo carrete tiene válvula piloto. Cuando la fuerza necesaria para desplazar el carrete principal de la válvula excede el límite práctico de un solenoide, la válvula piloto utiliza la presión del fluido para desplazar la tubería principal. Coloque el carrete a la izquierda o a la derecha.
Muchas válvulas tienen combinaciones de estos operadores para que la válvula se pueda cambiar en respuesta a más de un tipo de señal. Por ejemplo, el solenoide de una válvula 4/3 puede cambiar el carrete de la válvula en una dirección, y un resorte lo cambiaría de nuevo a la posición neutral cuando la señal eléctrica cesa. Debido a que muchas válvulas utilizan más de un tipo de operador, es importante determinar el papel de cada uno. Por ejemplo, una válvula solenoide piloto puede requerir flujo piloto y energía eléctrica para funcionar. O puede usar cualquiera de los dos: energía de solenoide si hay una fuente eléctrica disponible, o la operación piloto es el medio ambiente debe ser a prueba de explosiones.
Desde Indranor Hidráulica, esperamos que esta información respecto de válvulas hidráulicas de dirección, puedan ayudar a conocer mucho más del apasionado mundo de la hidráulica. Si necesita componentes, no dude en ponerse en contacto con nosotros, atendemos todas las marcas y somos especialistas en productos OILGEAR.