DISEÑO Y SIMULACIÓN DE LA INSTRUMENTACIÓN DE UNA PR ENSA HIDRÁULICA STROJEXPORT TIPO CDM 80-1 (LD 80)
JUAN DAVID VALENCIA GARCÍA
JUAN DAVID VÉLEZ SÁNCHEZ
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA ESCUELA DE TECNOLOGIA MECÁNICA
PEREIRA 2007
DISEÑO Y SIMULACIÓN DE LA INSTRUMENTACIÓN DE UNA PR ENSA HIDRÁULICA ESTROJEXPORT TIPO CDM 80-1 (LD 80)
JUAN DAVID VALENCIA GARCÍA
JUAN DAVID VÉLEZ SÁNCHEZ
Trabajo de grado para optar al titulo de Tecnólogo Mecánico
DIRECTOR
Ing. Osiel Arbeláez Salazar
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA ESCUELA DE TECNOLOGIA MECÁNICA
PEREIRA 2007
Nota de aceptación: __________________________________ __________________________________ __________________________________ __________________________________ __________________________________ __________________________________ __________________________________ Firma del presidente del jurado __________________________________ Firma del jurado __________________________________ Firma del jurado Pereira, Abril del 2007
DEDICATORIA
Este trabajo de grado está dedicado a nuestras familias que gracias a su dedicación, empeño, esfuerzo y apoyo incondicional, hicieron que fuera posible desarrollar este trabajo. A los compañeros de estudio con quienes se compartieron conocimientos y experiencias que forjaron un gran lazo de amistad.
AGRADECIMIENTOS
A la Universidad Tecnológica de Pereira que nos formó como profesionales. Un sincero agradecimiento al director de tesis Ingeniero Osiel Arbeláez Salazar quien nos apoyó y orientó durante el desarrollo de este trabajo, por sus recomendaciones que fueron de gran aporte e importancia para poder llegar a estas instancias. Al profesor Tecnólogo Wilson Pérez Castro que gracias a sus explicaciones logramos superar obstáculos. Al SENA que de manera desinteresada prestó sus instalaciones, al profesor Ingeniero Agustín Muriel quien nos orientó en el desarrollo de este trabajo.
CONTENIDO
Pág.
RESUMEN 9 INTRODUCCIÓN 10 1. JUSTIFICACION 11 2. OBJETIVOS 12 2.1. OBJETIVO GENERAL 12 2.2. OBJETIVO ESPECIFICOS 12 3. MARCO DE REFERENCIA 13 3.1. MARCO TEÓRICO 13 3.1.1. La Hidrostática 13
• Presión 13
• Presión por fuerzas externas 14
• Transmisión de fuerzas 15
• Transmisión de presión 16 3.1.2. La Hidrocinética 17
• Ley de flujo 18
• Ley de conservación de la energía 20
• Fricción y pérdida de presión 21
• Tipos de flujo 22
• Numero de Reynold Re 23
Pág. 3.1.3. Instalaciones hidráulicas 24
• Características de las instalaciones que usan técnicas de fluidos 24
• Diseño de una instalación hidráulica 24
• Transformación de energía 24
• Comando de la energía 24
• Transporte de energía 25
• Varios 25 3.1.4. Componentes de una instalación hidráulica 25
• Motores 26
• Bombas 26
• Bomba de husillos helicoidales 28
• Bomba de engranajes con dentado exterior 28
• Bomba de engranajes con dentado interior 29
• Bombas de pistones radiales 29
• Bombas de paletas 30
• Cilindros hidráulicos 30
• Cilindros de efecto simple 31
• Cilindros de efecto doble 31
• Válvulas direccionales 32
• Válvulas limitadoras y reguladoras de presión 33
Pág.
• Válvula proporcional de presión 34
• Acoplamientos 35
• Depósitos 35
• Filtros 35 3.1.5. Lógica cableada 36 3.1.6. Elementos electrónicos 37
• Amplificador de instrumentación AD620 37
• Referencia de voltaje REF 01 37
• Amplificador operacional LM324 37
• Transistor 38
• Trimmer o resistencias variables 38 3.2. MARCO CONCEPTUAL 39 3.2.1. Ventajas de los sistemas hidráulicos 39 3.2.3. Principio básico de una prensa hidráulica 40 3.2.4. Principio de funcionamiento de una bomba hidráulica 40 3.2.5. Principio de funcionamiento de las válvulas direccionales 41 3.2.6. Principio de funcionamiento de los cilindros hidráulicos 41 3.2.7. Principio de funcionamiento de la celda de carga 41
Pág.
4. LEVANTAMIENTO DEL PLANO DE LA PRENSA 42 4.1. Descripción de la prensa hidráulica 42 4.2. Características técnicas 43 4.3. Plano hidráulico actual de la prensa hidráulica 44 5. DISEÑO DE LA INSTRUMENTACIÓN DE LA PRENSA HIDRÁULICA 46 5.1. Tipo de trabajo 46 5.2. Descripción 47 5.3. Variables 47 5.4. Elementos del sistema a configurar 47 6. SIMULACIÓN DEL SISTEMA 48 6.1. Simulación del sistema electrohidráulico propuesto 48 6.2. Simulación sistema electrónico 52 7. DEMOSTRACIÓN DE LA IMPLEMENTACIÓN DEL NUEVO AUTOMATISMO 54 7.1. Descripción del funcionamiento del sistema 54 7.2. Optimización del sistema 61 8. CONCLUSIONES 62 9. RECOMENDACIONES 63 BIBLIOGRAFÍA 64
LISTA DE CUADROS
Pág.
Cuadro 1. Comparaciones de la lógica cableada y lógica programada 37
LISTA DE FIGURAS
Pág.
Figura 1. La presión solo depende de la altura 14 Figura 2. Ley de Pascal 14 Figura 3. Transmisión de fuerza 15 Figura 4. Transmisión de presión 16 Figura 5. Flujo 18 Figura 6. Caudal 19 Figura 7. Velocidad de flujo 20 Figura 8. Dependencia de la presión con la columna de líquido 21 Figura 9. Viscosidad 22 Figura 10. Flujo laminar 23 Figura 11. Flujo turbulento 23 Figura 12. Transformación de energía en una instalación hidráulica 25 Figura 13. Clasificación de las bombas según su funcionamiento 27 Figura 14. Bomba de husillos helicoidales 28 Figura 15. Bomba de engranajes con dentado exterior 28 Figura 16. Bomba de engranajes con dentado interior 29 Figura 17. Bombas de pistones radiales 29 Figura 18. Bomba de paletas con rotor 30
Pág.
Figura 19. Cilindros de tracción de efecto simple 31 Figura 20. Cilindros de presión de efecto simple 31 Figura 21. Cilindro de efecto doble 31 Figura 22. Válvula direccional 32 Figura 23. Válvula limitadora de presión 33 Figura 24. Principio de la prensa hidráulica 40 Figura 25. Descripción general (Foto) 42 Figura 26. Plano hidráulico 44 Figura 27. Simulación, posición 1 48 Figura 28. Simulación, posición 2 49 Figura 29. Simulación, posición 3 50 Figura 30. Simulación, posición 4 51 Figura 31. Diagrama de bloques 52 Figura 32. Simulación, celda de carga 53 Figura 33. Caja de pulsadores 54 Figura 34. Caja de relés 54 Figura 35. Fuente de alimentación 55 Figura 36. Válvula direccional 4/3 biestable 55 Figura 37. Cilindro hidráulico 56 Figura 38. Celda de carga 57 Figura 39. Tarjeta acondicionadora de señal 57
Pág. Figura 40. Display ó multímetro 58
Figura 41. Manómetro 58
Figura 42. Válvula proporcional limitadora de presión 59 Figura 43. Tarjeta de control de la válvula proporcional limitadora de presión 59 Figura 44. Válvula limitadora de presión convencional 60 Figura 45. Conjunto bomba hidráulica y motor eléctrico 60
RESUMEN El diseño de la instrumentación de la prensa hidráulica del taller de máquinas herramientas de la Universidad Tecnológica de Pereira, está basado en la electrohidráulica y la electrónica. Con el rediseño de la prensa hidráulica tipo CDM 80-1 (LD 80) del taller de máquinas herramientas de la Universidad Tecnológica de Pereira, se busca una alternativa para satisfacer las necesidades que se requieren en el taller de máquinas herramientas de la Universidad Tecnológica de Pereira, ya que en este se desarrollan pruebas de doblez en piezas soldadas sin tener algún control de las variables. En el primer paso se tomaron los catálogos y especificaciones de placa para tener un conocimiento más detallado del funcionamiento y de cada uno de sus componentes. A partir de este punto se adquirieron documentos relacionados con la hidráulica básica, electrohidráulica y electrónica, ya que en estos documentos se encuentran todos los conceptos necesarios para el desarrollo del trabajo. Una vez conocida toda la informacion referente al nuevo diseño, se hizo una breve descripción de la prensa hidráulica en su estado actual, realizando el levantamiento del plano hidráulico. En la segunda etapa del diseño se hicieron las innovaciones tecnológicas que permiten un manejo más seguro, cómodo y preciso, haciendo uso de los conceptos adquiridos durante la primera fase. Para que este proyecto pueda tener alguna viabilidad, se mostró un funcionamiento previo usando un software de ingeniería y llevando a cabo en los laboratorios de mecatrónica del SENA una demostración del mismo con resultados óptimos para una posterior implementación de este rediseño.
INTRODUCCIÓN
Las prensas hidráulicas son máquinas que se encuentran muy comúnmente en la industria. Estas máquinas realizan labores que el hombre no puede realizar por si mismo. Las prensas hidráulicas tienen gran importancia en la actualidad ya que su trabajo se usa frecuentemente en la industria para realizar diferentes labores. El principal objetivo de este rediseño es poder presentar una alternativa viable para el mejoramiento de un proceso de gran importancia para la Universidad Tecnológica de Pereira. El funcionamiento de la prensa hidráulica se limita por especificaciones del fabricante como la presión máxima de trabajo, la carrera del embolo, entre otros. Su control se realiza usando electrohidráulica generando un manejo más seguro, preciso y cómodo, la electrónica se encarga de mostrar un registro en forma real que puede ser interpretado y ajustado a un valor específico. En el desarrollo de este trabajo de grado se usó una metodología empírico-analítica ya que se planteó un problema real, que permite una interacción directa con la persona que lo ejecuta, apoyados en el análisis para el desarrollo de cálculos y solución de problemas. El hecho de contar con maquinaria instrumentada en el taller de máquinas herramientas de la Universidad Tecnológica de Pereira permitirá un mejoramiento de la calidad de todos sus procesos, para estar en un alto nivel que le permita competir con la industria regional, además de prestar servicios estandarizados y confiables.
1. JUSTIFICACIÓN La automatización de procesos industriales, el control de variables de proceso en tiempo real y la manipulación de datos se han convertido en una alternativa viable para salir del atraso tecnológico de nuestro país; tener el control al instante sobre los procesos puede coayudar a mantener estándares de calidad adecuados, un alto nivel de calidad y el aumento de la productividad permiten mantener altos estándares de competitividad, la alta competitividad de un país lo puede ayudar a salir de su atraso. Con la propuesta del diseño de la prensa hidráulica de la Universidad Tecnológica de Pereira se pretende mejorar la competitividad del proceso puesto que se mejora la operación, los tiempos y el control de las variables, como consecuencia se podrán hacer pruebas estandarizadas de doblez de piezas soldadas bajo códigos internacionales [AWS D1.1 (estructural acero), API 1104, ASME Sección IX], con este tipo de procesos la Universidad Tecnológica de Pereira podrá ofrecer servicios adicionales estandarizados y confiables a la industria regional, cumpliendo con uno de los objetivos de su misión, manteniendo contacto con la industria regional que la rodea. Por lo anterior y observando el gran potencial que posee la prensa hidráulica del taller de máquinas herramientas de la Universidad Tecnológica de Pereira, surgió la idea de proponer el diseño de la instrumentación y simulación de la máquina con el fin de que este proyecto se pueda implementar en una segunda fase cuando el taller de la Universidad Tecnológica de Pereira provea los recursos necesarios para su ejecución.
2. OBJETIVOS 2.1. GENERAL Diseñar y simular la instrumentación de la prensa hidráulica del taller de máquinas herramientas de la Universidad Tecnológica de Pereira. 2.2. ESPECIFICOS
- Levantar los planos hidráulicos y eléctricos de la prensa hidráulica. - Diseñar la instrumentación de la prensa hidráulica. - Simular la prensa hidráulica en el laboratorio. - Simular la implementación del rediseño de la instrumentación de la prensa
hidráulica con instrumentación de laboratorio.
3. MARCO DE REFERENCIA 3.1. MARCO TEÓRICO Este marco teórico está hecho con el fin que el lector tenga una breve apreciación de algunos elementos de la electrohidráulica y la electrónica, para así tener una mejor comprensión de los temas aquí mencionados. La electrohidráulica y la electrónica cumplen con un papel muy importante en todas las industrias en las cuales se llevan a cabo labores desarrolladas por maquinaria, las que facilitan procesos importantes. 3.1.1. La Hidrostática Las leyes de la hidrostática solo aplican para los líquidos ideales, que deben considerarse como sin masa, libres de fricción e incomprensibles. Con estas relaciones se capta la conducta de circuitos ideales, es decir, libres de pérdidas. En todos los elementos constructivos de instalaciones de técnica de fluidos de uno u otro modo se producen pérdidas. En los elementos constructivos que trabajan según el principio de estrangulamiento, las pérdidas que se producen, resultan ser una condición para su funcionamiento2. Presión. Si la presión actúa como se representa en la figura 1 sobre superficies de igual tamaño ( )321 AAA == , entonces las fuerzas resultantes también son
iguales ( )321 FFF == .
2 D, Merkle., B, Schrader., M,Thomes. Hidráulica manual de estudio nivel básico, Colombia: Festo Didactic 1989.
Figura 1. La presión solo depende de la altura [1].
Presión por fuerzas externas. El fundamento de la hidrostática es la ley de Pascal: “El efecto de una fuerza sobre un Líquido en reposo se reparte en todas direcciones dentro del Líquido. La magnitud de la presión en el líquido es igual a la fuerza por peso, referida a su superficie efectiva. La presión siempre actúa en forma vertical sobre las superficies que limitan el recipiente”. Figura 2. Ley de Pascal [1].
La presión se reparte uniformemente hacia todos los lados. Si se desprecia la presión de gravedad la presión es igual en cualquier lugar (figura 2).
Dadas las grandes presiones con las cuales se trabaja en instalaciones hidráulicas modernas, la presión de gravedad puede despreciarse. Transmisión de fuerzas. Dado que la presión se reparte uniformemente en todas direcciones, la forma del recipiente carece importancia. Figura 3. Transmisión de fuerza [1].
Cuando la fuerza F1 actúa sobre la superficie A1, se produce la presión.
1
1
A
Fp = (1)
La presión p actúa en cualquier lugar del sistema, también sobre la superficie A2. La fuerza alcanzable F2 (sinónimo de una carga a elevar) es.
22 ApF ⋅= (2)
De modo que al igualar p en (1) y (2) tenemos que
2
2
1
1
F
F
A
F= (3)
Ó de otra manera
1
2
1
2
A
A
F
F= (3)
Las fuerzas se comportan entre sí como las superficies.
En un sistema de este tipo la presión p se rige por la fuerza F y por la superficie efectiva A. Es decir, la presión sigue aumentando hasta que pueda llegar a superar la resistencia que se opone al movimiento del líquido. Si a través de la fuerza F1 y de la superficie A1 fuese posible alcanzar la presión necesaria para superara la carga F2 (a través de superficie A1), entonces la carga F2 podrá ser elevada. (Las pérdidas por rozamiento se podrán despreciar). Los trayectos s1 Y s2 de ambos pistones se comportan de modo inverso a las superficies.
1
2
2
1
A
A
s
s= (4)
El trabajo del pistón de fuerza (1) W1 es igual al pistón de carga (2) W2.
111 sFW ⋅= (5)
222 sFW ⋅= (6)
Transmisión de presión. Mediante una barra se han unido firmemente entre si dos pistones de distinto tamaño (figura 4). Si sobre la superficie A1 actúa una presión p1, en el pistón (1) se obtiene la fuerza F1. La fuerza F1 se transmite a través de la barra a la superficie A2 del pistón (2), produciendo allí la presión p2. Figura 4. Transmisión de presión [1].
Sin pérdidas por rozamiento se puede decir que:
21 FF = Y 2211 ApAp ⋅=⋅
De este modo.
111 FAp =⋅ Y 222 FAp =⋅ (7)
Por lo tanto
1
2
2
1
A
A
p
p= (8)
En el transmisor de presión las presiones se comportan de modo inverso a las superficies. 3.1.2. La Hidrocinética La hidrocinética es la teoría de las leyes de movimiento de los líquidos y de las fuerzas efectivas en cada caso. Con ellas, en parte, también se puede explicar los tipos de pérdidas que se produce en la hidrostática. Si se desprecia las fuerzas de rozamiento que se produce en las superficies límites de cuerpos y líquidos y entre las distintas capas de líquidos, entonces se habla de un flujo libre o ideal2.
2 D, Merkle., B, Schrader., M,Thomes. Hidráulica manual de estudio nivel básico, Colombia: Festo Didactic 1989.
Ley de flujo. A través de un tubo con distintas secciones transversales fluyen en igual tiempo volúmenes iguales. Esto significa que la velocidad del flujo del fluido debe aumentar en el punto de angostamiento (figura 5). Figura 5. Flujo [1].
El caudal Q es el cociente del volumen de fluido V y del tiempo t.
t
VQ = (9)
El volumen del fluido V también es igual al producto de la superficie A por la longitud s (figura 6a).
sAV ⋅= (10)
Si se introduce V = A * s en lugar de V (figura 6b), entonces se obtiene para Q.
t
sAQ ⋅= (11)
El cociente del trayecto s y del tiempo t es la velocidad v.
t
sV = (12)
Por lo tanto, el caudal Q corresponde también al producto entre la superficie de la sección transversal del tubo A y la velocidad del líquido v (figura 6c). Figura 6. Caudal [1].
El caudal Q en L/min es igual en todo el tubo. Si el tubo tuviera las secciones transversales A1 y A2, en dichas secciones transversales se deberá instalar una velocidad propia (figura 7).
21 QQ = (13)
111 VAQ ⋅= (14)
222 VAQ ⋅= (15) De allí surge la ecuación de continuidad
2211 VAVA ⋅=⋅ (16)
Figura 7. Velocidad de flujo [1].
Ley de conservación de la energía. La ley de conservación de la energía, referida a un líquido en movimiento, dice que la energía total de un caudal de líquido no varía mientras no se introduzca energía desde el exterior ni se entregue energía hacia el exterior. Si se deja fuera de consideración los tipos de energía que no varía en los procesos de flujo, la energía total se compone de:
Energía potencial.
- Energía de posición: En función de la columna de Líquido y de la presión estática.
Energía cinética.
- Energía de movimiento: En función de la velocidad de flujo y de la presión dinámica.
De allí surge la ecuación de Bernoulli.
Kvp
hg =
+
+⋅2
2
ρ (17)
Referido a la energía de presión ello significa.
2
2VhgpP sttot ⋅
+⋅⋅+= ρρ (18)
stp = presión estática. hg ⋅⋅ρ = presión por altura de la columna de Líquido.
2
2V⋅
ρ= presión dinámica.
Si se considera la ecuación de continuidad y la ecuación de Bernoulli, se obtiene lo siguiente: Si por estrangulamiento de la sección transversal aumenta la velocidad, aumenta le energía de movimiento. Dado que la energía total permanece constante, la energía de posición y/o la presión por estrangulamiento de la sección transversal deben reducirse. La energía de posición permanece casi constante. Sin embargo, la presión estática varía en función de la presión dinámica, es decir, en función de la velocidad de flujo. (Figura 8) Figura 8. Dependencia de la presión [1].
En las “instalaciones hidrostáticas” la presión estática importa principalmente, dado que la altura del líquido y la velocidad de flujo por lo general son demasiado bajas. Fricción y pérdida de presión. Para considerar la regularidad de líquidos fluyentes habíamos supuesto que las capas del líquido se pueden desplazar libre de fricción entre si y contra un cuerpo. Sin embargo, la energía hidráulica no se puede transmitir libre de pérdidas a través de tuberías. En las paredes del tubo y en el líquido mismo se produce fricción, que genera calor. La energía hidráulica se transforma en calor. La pérdida de energía hidráulica que se produce significa una pérdida de presión para instalaciones hidráulicas.
La pérdida de presión –la diferencia de presión- se denomina ∆p (figura 9). Cuanto más grande la fricción de las capas del líquido entre si (fricción interna) tanto mayor la viscosidad (tenacidad) del líquido.
Figura 9. Viscosidad [1].
La dimensión de las pérdidas por fricción depende especialmente de:
- La longitud de la tubería. - La sección transversal de las tuberías. - La rugosidad de las paredes del tubo. - La cantidad de codos del tubo. - La velocidad de flujo. - La viscosidad del líquido.
Tipos de flujo. El tipo de flujo también es importante para la pérdida de energía en una instalación hidráulica. Se diferencian dos tipos de flujo:
- Flujo laminar. - Flujo turbulento.
Hasta ciertas velocidades los líquidos se mueven por capas (laminarmente) a través del tubo. La capa interna del líquido tiene la mayor velocidad. La capa externa esta detenida en la pared del tubo (figura 10). Si se aumenta la velocidad de flujo, en la velocidad critica el tipo de flujo cambia, se vuelve arremolinado (turbulento, figura 11). De este modo se incrementa la resistencia al flujo y, con ello, las pérdidas hidráulicas. Por este motivo el flujo turbulento resulta indeseado.
La velocidad crítica no es una magnitud definida. Depende de la viscosidad del flujo y de la sección transversal del flujo. La velocidad crítica se puede calcular y en instalaciones hidráulicas no deberá ser superada. Figura 10. Flujo laminar [1].
Figura 11. Flujo turbulento [1].
Numero de Reynold Re. El tipo de flujo se puede determinar a grosso modo con el número de Reynold Re
( )µ
hdV ⋅=Re (18)
Allí se consideran: V: la velocidad del flujo en m/s. dh: el diámetro hidráulico en m, en secciones transversales es igual al diámetro
interno del tubo, sino U
Adh ⋅= 4
A: superficie de la sección transversal. U: perímetro. µ: viscosidad cinemática en m2/s. Recrit: 2300. Este valor sólo vale para tubos redondos, técnicamente lisos y rectos. Con Recrit cambia el tipo de flujo laminar a turbulento y viceversa. El flujo laminar se produce con Re < Recrit , y el flujo turbulento con Re > Recrit.. 3.1.3. Instalaciones hidráulicas Características de las instalaciones que usan técni cas de fluidos
- Transmisión de grandes fuerzas (pares de giro) a tamaño relativamente reducido.
- El funcionamiento bajo carga completa es posible ya desde el reposo. - La variación continua (mando y regulación) de: velocidad, par de giro o,
fuerza, se puede realizar fácilmente. - Simple protección contra sobrecargas. - Adecuadas para desarrollos de movimiento rápidos y también
extremadamente lentos y controlables. - Acumulación de energía con gases. - Sistemas de accionamiento simples centrales y - Transformación descentralizada de energía hidráulica en energía mecánica.
Diseño de una instalación hidráulica. En instalaciones hidráulicas se transforma energía mecánica en energía hidráulica. De ese modo es trasportada, comandada y regulada, para ser transformada nuevamente en energía mecánica3. Transformación de energía. Para la transformación de energía se emplean del lado primario bombas hidráulicas y, del lado secundario, cilindros y motores hidráulicos. Comando de la energía. La energía hidráulica, y con ello la potencia transmitida, se influencia en su magnitud y sentido mediante presión y caudal por medio de bombas variables, válvulas de mando y válvulas reguladoras.
3 P, Drexler., H, Faatz., F, Feicht. Proyecto y construcción de equipos hidráulicos, Alemania: Bosch Rexroth 1999.
Transporte de energía. El fluido hidráulico, conducido a través de tubos, mangueras, taladros en bloques de mando o placas de mando realiza el transporte de energía o también solo la conducción de presión. Varios. Para el almacenamiento y cuidado de fluido hidráulico se requiere una serie de instalaciones suplementarias, como tanque, filtro, refrigerador, elementos de calefacción y dispositivos de medición y de control.
Figura 12. Transformación de energía en una instalación hidráulica [1].
3.1.4. Componentes de una instalación hidráulica La unidad de abastecimiento de energía proporciona la energía que necesita el sistema hidráulico. La figura 12 muestra de manera simplificada los componentes de una instalación hidráulica, los cuales son:
- Motor - Bomba - Válvula direccional - Actuadores - Válvula limitadora de presión - Acoplamientos y depósitos - Filtro
Además, todos los sistemas hidráulicos disponen de unidades de mantenimiento, control y seguridad, y así mismo, de conductos para unir elementos hidráulicos.
Motores. Los sistemas hidráulicos (con excepción de aquellos provistos de una bomba manual) son accionados por motores (motores eléctricos, motores de combustión interna). Los motores eléctricos se utilizan principalmente en sistemas hidráulicos estacionarios, mientras que los motores de combustión suelen usarse en sistemas hidráulicos móviles. La unidad hidráulica central es el núcleo de las máquinas o equipos de mayor envergadura. Todos los elementos de trabajo de una máquina o equipo están conectados a uno o varios equipos de accionamiento hidráulico y son abastecidos a través de conductos comunes, pudiéndose incorporar uno o varios acumuladores. Los acumuladores hidráulicos almacenan energía hidráulica a la que se puede recurrir en el momento de necesitarla. Las tuberías de presión, las tuberías de retorno y las tuberías para el aceite de fuga conforman circuitos. De este modo se ahorra espacio y energía. Bombas. La bomba de un sistema hidráulico, también llamada bomba hidráulica, se encarga de transformar la energía mecánica proveniente del equipo de accionamiento en energía hidráulica (energía de presión): La bomba succiona el aceite y alimenta el sistema de tuberías. En el sistema hidráulico se crea una presión a raíz de las resistencias que se oponen al aceite que fluye. La presión corresponde a la resistencia total, la que por su parte se compone de resistencias externas e internas y el caudal volumétrico.
- Resistencias externas: Son las que se producen por efecto de cargas útiles, fricción mecánica, cargas estáticas y fuerzas de aceleración.
- Resistencias internas: Son producto de la fricción total en los conductos y
elementos del sistema, de la fricción propia del aceite y de las reducciones del flujo (zonas de estrangulamiento).
Ello significa que la presión del fluido en un sistema hidráulico no esta dada por la potencia de la bomba, sino que va creciendo en función de las resistencias y, en casos extremos, aumenta hasta que se produce la destrucción de un elemento del sistema. Es evidente que esta circunstancia se procura evitar en la realidad práctica incorporando una válvula de seguridad limitadora de la presión inmediatamente después de la bomba o integrándola en la bomba misma.
Dicha válvula permite regular la presión de trabajo máxima en función de la potencia de la bomba. Las bombas hidráulicas se pueden clasificar según su principio de funcionamiento (figura 13). Para el desarrollo de este trabajo de investigación se utilizará una bomba de engranaje encargada de suministrar una can tidad de aceite de poca presión (1 KPa), necesario para el movimiento rápido del émbolo en vacío, y una bomba émbolo destinada a suministrar p oca cantidad de aceite de alta presión (30.4 KPa) el cual se usa para oper aciones de prensado. Figura 13. Clasificación de las bombas según su funcionamiento [1].
Bomba de husillos helicoidales (Figura 14). Se caracteriza por un nivel de ruido muy bajo. Por esta razón se emplea en instalaciones hidráulicas para teatros y operas. Figura 14. Bomba de husillos helicoidales [1].
Bomba de engranajes con dentado exterior (Figura 15 ). Se emplean especialmente en la hidráulica móvil en grandes cantidades, debido a sus características:
- Presión relativamente alta y reducido peso, - Gran rango de velocidad de rotación y - Elevado rango de temperatura/viscosidad.
Figura 15. Bomba de engranajes con dentado exterior [1].
Bomba de engranajes con dentado interior (Figura 16 ). La principal característica de estas bombas es su muy bajo nivel de ruido. Por esto se emplean especialmente en hidráulica estacionaria (prensas, máquinas para plásticos, máquinas herramientas, etc.) y en vínculos que trabajan en espacios muy cerrados (estibadores eléctricos por horquilla). Figura 16. Bomba de engranajes con dentado interior [1].
Bombas de pistones radiales (Figura 17). Para el sector de alta presión (presiones de servicio superiores a 4000 bar) se emplean bombas de pistones radiales. Para prensas, máquinas para la elaboración de plásticos, en hidráulica de sujeción para máquinas herramientas y en muchos otros sectores se requieren presiones de servicio de hasta 700 bar. Solo las bombas de pistones radiales pueden trabajar satisfactoriamente a presiones tan elevadas también en servicio continuo. Figura17. Bombas de pistones radiales [1].
Bombas de paletas (Figura 18). Existen dos tipos de bombas de paletas:
- De una carrera. - De dos carreras. Ambas poseen el mismo grupo constructivo principal que se compone de rotor y de paletas. Las paletas en el rotor se mueven radialmente. Lo que varia es la forma del así denominado estator, que limita la carrera de las paletas.
Figura 18. Bomba de paletas con rotor [1].
Cilindros hidráulicos. En un circuito hidráulico el cilindro hidráulico es un equipo insustituible para la transformación de energía hidráulica en energía mecánica. Es el miembro de unión entre el circuito hidráulico y la máquina de accionamiento. A diferencia del motor hidráulico, el cual realiza movimientos rotatorios (giratorios), el cilindro hidráulico tiene la función de realizar movimientos de traslación (lineales) y, simultáneamente transmitir fuerzas. De acuerdo con su efecto los cilindros hidráulicos se dividen en:
- Cilindros de efecto simple - Cilindros de efecto doble
Cilindros de efecto simple (Figura 19 y 20). Los cilindros de efecto simple solamente pueden entregar la fuerza en un sentido. El retroposicionamiento del pistón solo se puede llevar a cabo mediante un resorte, por peso propio del pistón o por efecto de una fuerza externa. Básicamente los cilindros de efecto simple tienen una superficie efectiva.
Figura 19. Cilindros de tracción de efecto simple [1].
Figura 20. Cilindros de presión de efecto simple [1].
Cilindros de efecto doble (Figura 21). Los cilindros de efecto doble poseen dos superficies de efecto opuesto, de igual o distinto tamaño. Disponen de dos conexiones de tuberías independientes entre si. Mediante alimentación de un medio de presión a través de las conexiones “A” ó “B” el pistón puede transmitir fuerzas de tracción o de compresión en ambos sentidos de carrera. Este tipo de cilindros se emplea en prácticamente todos los campos de aplicación. Los cilindros de efecto doble se subdividen en cilindros diferenciales y en cilindros de doble vástago. Figura 21. Cilindro de efecto doble [1].
Válvulas direccionales (Figura 22). Las válvulas direccionales son elementos constructivos que modifican, abren o cierran los pasos del flujo en sistemas hidráulicos. Estas válvulas permiten controlar la dirección del movimiento y la parada de los elementos de trabajo. Los símbolos de las válvulas direccionales están definidos por la norma DIN ISO 1219. Figura 22. Válvula direccional biestable [1].
Se aplican los siguientes criterios:
- Cada posición es representada por un cuadro - Las direcciones y los pasos de flujo son representados por flechas - Las conexiones bloqueadas son representadas por líneas transversales - Las conexiones son representadas por líneas ubicadas en la posición de
conmutación respectiva - Las conexiones para el aceite de fuga son representadas por líneas
interrumpidas y, además, son caracterizadas con “L” para diferenciarlas de las conexiones de mando
- Las posiciones de conmutación son caracterizadas cada una por separado (sin que hubiera una norma para ello); por lo general, las posiciones con a, b… de izquierda a derecha; la posición normal de tres vías se caracteriza con 0.
Las válvulas direccionales pueden ser de funcionamiento continuo o de funcionamiento discreto.
- Válvulas de funcionamiento continuo: estas válvulas tienen dos posiciones finales y una cantidad ilimitada de posiciones intermedias con diferentes características de estrangulamiento. Se clasifican en válvulas proporcionales y servoválvulas.
- Válvulas de funcionamiento discreto: estas válvulas siempre tienen una
cantidad de terminada de posiciones (2, 3, 4…). En la práctica suele llamarse válvulas direccionales.
Las válvulas de vías se clasifican según la cantidad de conexiones y posiciones, en el siguiente cuadro se pueden apreciar algunas posiciones de conmutación. Válvulas limitadoras y reguladoras de presión (Figu ra 23). Las válvulas reguladoras y limitadoras de presión tiene la función de controlar y regular la presión en un sistema hidráulico y en circuitos parciales. Estas válvulas reducen la presión de entrada hasta alcanzar el valor de una presión de salida previamente ajustada. Para cumplir debidamente su función el sistema hidráulico debe trabajar con diversas presiones. Figura 23. Válvula limitadora de presión [1].
- Válvulas limitadoras de presión: estas válvulas permiten ajustar y limitar a
presión en un sistema hidráulico. La presión de mando es consultada en la entrada “P” de la válvula.
- Válvulas reguladoras: estas válvulas reducen la presión de salida, siendo más elevada y variable la presión de entrada. La presión de mando es consultada en la salida de la válvula.
Las válvulas limitadoras de presión pueden ser válvulas de asiento o de corredera. En su posición normal actúa un muelle, el cual:
- Presiona un elemento de cierre sobre la conexión de entrada. - Desplaza una corredera sobre la conexión con el depósito.
Para evitar oscilaciones causadas por la presión, las válvulas limitadoras de presión frecuentemente están provistas de émbolos de amortiguación y de elementos de estrangulamiento. Esta amortiguación tiene la finalidad de evitar daños causados por golpes de presión (Puesto que la válvula trabaja de modo suave). Los golpes de presión se producen cuando la bomba transporta el aceite casi sin presión en las tuberías y se conecta súbitamente un elemento de trabajo por acción de una válvula direccional. Las válvulas limitadoras de presión son utilizadas como:
- Válvulas de seguridad - Válvulas de contra presión - Válvula de freno - Válvulas secuenciales - Válvulas de desconexión - Válvulas de compensación
Válvula proporcional de presión. La técnica de válvulas proporcionales, como elemento intermedio entre la conmutación y la regulación, es un concepto establecido en la hidráulica. Rápidamente se reconocieron las ventajas que brinda esta tecnología.
- Una tensión eléctrica de entrada, generalmente entre 0 y 10V, es transformada mediante un amplificador eléctrico en una intensidad eléctrica proporcional, por ejemplo.1 mV ≡ 1 mA.
- El solenoide proporcional transforma esta intensidad eléctrica de entrada en una señal proporcional de fuerza o posición como valor de salida.
- Estas magnitudes, fuerza o posición, como señal de entrada a la válvula hidráulica, resulta en un determinado caudal o en una determinada presión.
- Para el consumidor, y con ello para el elemento de la máquina, significa esto la función analógica, junto a la elección del sentido de marcha, de la velocidad y de la fuerza.
- Simultáneamente, se puede fijar la variación, por ejemplo, de la velocidad en función del tiempo, obteniéndose aceleraciones y desaceleraciones graduables de forma continua.
Las válvulas proporcionales de presión se utilizan para el mando eléctrico remoto de presión, pudiéndose además influir electrónicamente sobre el tiempo de aumento o disminución de la misma. De este modo la presión mediante valor nominal eléctrico puede ser variada, es decir, adaptada, a las diferentes exigencias de un proceso. Acoplamientos. Los acoplamientos están situados en la parte del suministro de energía entre el motor y la bomba. Los acoplamientos transmiten el par de giro del motor a la bomba. Además tienen un efecto de amortiguación recíproca entre ambos componentes. De esta manera se evita una transmisión de oscilaciones de funcionamiento del motor hacia la bomba y, a la inversa, se evita también que los picos de presión de la bomba sean transmitidos al motor. Por lo demás, los acoplamientos permiten compensar variaciones en la alineación del los ejes del motor y la bomba. Depósitos. Los depósitos de un sistema hidráulico están diseñados para cumplir varias funciones:
- Recepción y almacenamiento del Líquido necesario para que funcione el sistema hidráulico.
- Disipar el calor residual. - Separar aire, agua y sustancias sólidas. - Servir de soporte para una bomba incorporada o superpuesta, para el motor
y diversos elementos hidráulicos, tales como válvulas y otros. El volumen de aceite transportado por la bomba en un lapso de 3 a 5 minutos sirve como criterio de referencia para determinar las dimensiones de los depósitos de sistemas hidráulicos estacionarios. Además debe preverse una reserva de aproximadamente 15% de aire para compensar las oscilaciones del nivel. Filtros. Los filtros tienen la función de mantener la suciedad en niveles permisibles para evitar un desgaste precoz de los elementos. El filtrado tiene que ser lo suficientemente fino. La selección y ubicación del filtro depende fundamentalmente de la sensibilidad de los diversos componentes frente a la
suciedad. Las partículas de suciedad se miden en µm y en concordancia con ello se indica también el grado de filtración. Los filtros para el aceite de descarga son montados directamente sobre el depósito de aceite. El cuerpo y el cartucho del filtro tienen que poder resistir picos de presión que se producen cuando se abren repentinamente válvulas grandes. Es recomendable que la totalidad del flujo de retorno pase a través del filtro. 3.1.5. Lógica cableada Actualmente en pequeñas automatizaciones se emplea la lógica cableada, que utiliza circuitos de relés y contactores. Las herramientas cableadas se caracterizan por una realización que requiere única, pero necesariamente, el establecimiento de unión de materiales (cableado). Las tecnologías que permiten hacer automatismos cableados son:
- Relés electromagnéticos. - Módulos lógicos hidráulicos. - Captadores. - Accionadores.
Los sistemas cableados realizan una función fija que depende de los componentes que lo forman y de la forma en que sea interconectado. Por tanto, la única forma de alterar la función de control es modificando sus componentes ó la forma de interconectarlos. Por otro lado los sistemas programables pueden realizar distintas funciones de control sin alterar su configuración física, sino solo cambiando el programa de control4. El cuadro 1 presenta una comparación del uso de la lógica cableada versus lógica programable.
4 PORRAS, Alejandro C., MONTANERO, Antonio Placido M. Autómatas Programables, España: Mc Graw Hill 1990.
Cuadro 1. (Comparaciones de la lógica cableada y lógica programada5).
CARACTERÍSTICAS LÓGICA CABLEADA LÓGICA PROGRAMABLE
Flexibilidad de adaptación al
proceso
Baja Alta
Interconexiones y cableado exterior
Mucho Poco
Mantenimiento Difícil Fácil Posibilidades de
modificación Difícil Fácil
Tiempo de desarrollo del proyecto
Largo Corto
Costos de aplicación Bajo Alto 3.1.6. Elementos electrónicos Son aquellos dispositivos que usan un diferencial de voltaje, para transmitir, recibir y guardar información. Amplificador de instrumentación AD620. Circuito integrado para amplificar pequeñas diferencias de voltaje, una resistencia Rg ajusta el valor de la ganancia
Ω+=Rg
KG
9.491 . Son usados en el manejo y acondicionamiento de señal.
Referencia de voltaje REF 01. Referencia de precisión de 10 voltios. Mantiene 10 voltios constantes a la salida independiente de las pequeñas variaciones de la fuente de alimentación. Amplificador operacional LM324. Circuito integrado que permite amplificar y ejecutar operaciones matemáticas de acuerdo a una ganancia definida por los valores de las resistencias con las cuales se configura el circuito. Los voltajes amplificados pueden ir desde los nanovoltios hasta voltajes de 20 V aproximadamente, estos voltajes son definidos por el fabricante.
5 PIEDRAFITA, Ramón M. Ingeniería De La Automatización Industrial, España: RA-MA.
Transistor: Denominación común para un grupo de componentes electrónicos utilizados como amplificadores u osciladores en sistemas de comunicaciones, control y computación. Trimmer o resistencias variables. Elemento resistivo que no posee un valor constante, son usados para variar corriente y voltaje ya que puede ajustar el valor de la resistencia.
3.2. MARCO CONCEPTUAL La hidráulica se ocupa básicamente de la transmisión de los efectos de fuerzas y potencias mediante la presión estática y dinámica del fluido. Esta labor se realiza a través de sistemas hidráulicos. En una máquina hidrostática impulsada por motor, la energía mecánica es convertida en energía hidráulica. El comando proporciona la energía hidráulica a la máquina hidrostática de fuerza, para lo cual los componentes de mando actúan sobre la presión así como la dirección y la magnitud del flujo. La máquina hidrostática de fuerza convierte la energía hidráulica nuevamente en energía mecánica, la que se aplica al usuario según la necesidad en forma rotante, lineal u oscilante. 3.2.1. Ventajas de los sistemas hidráulicos
- Transmisión de grandes fuerzas en espacios reducidos. - Es posible el almacenamiento de energía. - Variación sin saltos de magnitudes, como velocidades, fuerzas y
momentos. - Buena regulación de fuerzas actuantes. - Grandes rangos de transmisión. - Conversión simple de movimientos rotantes en rectilíneos ó viceversa. - Montaje en diferentes ambientes de la fuente de energía y accionamiento
con unión por tuberías rígidas o flexibles. - Posibilidad de automatización de todo tipo de movimientos y movimientos
auxiliares mediante válvulas piloto y transmisión de orden eléctrico. - Protección contra sobrecargas. - Desgaste reducido debido a la lubricación de los elementos mediante el
propio fluido. - Elevada vida útil. - Posibilidad de recuperación de energía.
3.2.3. Principio básico de una prensa hidráulica Figura 24. Principio de una prensa hidráulica [1].
Sobre el pistón de una bomba manual se ejerce una fuerza. Esta fuerza, dividida por la superficie del pistón, es la presión alcanzada (P=F/A). Dicha presión fluye a través del sistema hidráulico hasta llegar al cilindro hidráulico en donde esta presión se convierte nuevamente en una fuerza. La velocidad a la cual se mueve el pistón depende del caudal conducido al cilindro, es decir, cuanto más rápido se mueve el pistón de la bomba manual hacia abajo, más es el fluido por unidad de tiempo conducido al cilindro, por tanto, más rápido se eleva la carga. En la actualidad la presión del fluido es entregado por una bomba hidráulica, que puede suministrar gran cantidad de presión logrando que los sistemas hidráulicos sean los más implementados para labores de transmisión de elevadas fuerzas. 3.2.4. Principio de funcionamiento de una bomba hi dráulica Las bombas hidráulicas son elementos que transforman energía, es decir, reciben energía mecánica de rotación de un motor eléctrico, para ser convertida en energía hidráulica. El fluido entra a la bomba hidráulica cerca al eje del rotor y las paletas ó piñones lo arrastran hacia sus extremos a alta presión, el rotor también proporciona al fluido una velocidad relativamente alta que se transforma en energía hidráulica (ver figura 15).
3.2.5. Principio de funcionamiento de las válvulas direccionales A una carcasa con agujero central axial llegan canales a distancias constructivas determinadas, los cuales continúan hacia fuera como conexiones de conductos. En el agujero axial principal se mueve una corredera con ranuras de mando torneadas (ranuras anulares) mediante un elemento de accionamiento a posiciones predeterminadas con respecto a los agujeros de la carcasa, de modo que estos a través de las ranuras anulares queden unidos entre sí o separados y bloqueados (ver figura 22). 3.2.6. Principio de funcionamiento de los cilindro s hidráulicos El cilindro hidráulico es un equipo insustituible para la transformación de energía hidráulica en energía mecánica. Es, por lo tanto, el miembro de unión entre el circuito hidráulico y la máquina de accionamiento. El cilindro hidráulico recibe el fluido a una alta presión e ingresa a la cámara de cilindro, esta presión en contacto con el área del émbolo generan una fuerza que es la encargada de realizar un trabajo (ver figura 21). 3.2.7. Principio de funcionamiento de la celda de carga El principio básico de una celda de carga esta basado en el funcionamiento de cuatro sensores strain gauge , dispuestos en una configuración especial. Strain (tensión) es la cantidad de deformación de un cuerpo debido a una fuerza aplicada que hace que su resistencia eléctrica varíe en proporción con la cantidad de tensión aplicada en el dispositivo. Para medir tales cambios pequeños en resistencia, las galgas de tensión se utilizan una configuración de puente de Wheatstone con una fuente de excitación de voltaje. El puente de Wheatstone, consiste en cuatro brazos de resistentes con un voltaje de la excitación, que se aplica a través del puente.
4. LEVANTAMIENTO DEL PLANO DE LA PRENSA HIDRÁULICA
1 2 3 4 5
6
4.1. DESCRIPCIÓN DE LA PRENSA HIDRÁULICA El bastidor (3) de la prensa es de construcción soldada de perfiles de acero. El puente de unión superior de la prensa consta de dos vigas en U, entre las cuales va ubicado el cilindro hidráulico (6) montado sobre traviesas de chapa tipo caldera y sujeto por pernos. La mesa (5) que consta de dos vigas puede ajustarse en altura dentro de amplios límites mediante un engranaje de tornillo sin fin y por la maniobra de una palanca situada en la parte delantera de la mesa. En la posición deseada se inmoviliza la mesa mediante cuatro espigas de acero. El accionamiento de la prensa esta a cargo de la bomba (1) de aceite tipo RPZ – 1, por la cual se impulsa el aceite al cilindro hidráulico a través del distribuidor manejado por una palanca (4). Estando esta palanca su posición inferior, el émbolo realiza la operación de prensado. Al llevar la palanca hacia arriba, el émbolo vuelve a su extremo superior de carrera. La prensa está equipada con una válvula reguladora de seguridad por la cual puede regularse la presión de trabajo a voluntad. 4.2. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS
- Potencia máxima de prensado 80 Ton - Potencia de retroceso 2 Ton - Presión máxima de servicio 30.4 KPa - Carrera del émbolo de prensar 0.17 m - Husillo ajustable en altura 0.20 m - Mesa ajustable en altura 0.80 m - Apertura máxima de la prensa 0.90 m - Velocidad de prensado 9 x 10 -4 m/s = 0.9 mm/s - Potencia total absorbida por la prensa 0.74 KW - Dimensiones de la prensa: Ancho 1 m
Largo 1.5 m Alto 2.2 m
4.3. PLANO HIDRÁULICO ACTUAL DE LA PRENSA HIDRÁULI CA Figura 26. Plano hidráulico.
La bomba hidráulica (4) es accionada por el motor eléctrico (3). Toma el líquido del tanque (1) una vez halla pasado por el filtro (2), para proteger la instalación hidráulica contra presiones demasiado elevados y, con ello, contra sobrecargas, la presión máxima admisible es imitada por la válvula reguladora de seguridad (5). La cual es preajustada mediante un resorte, que oprime el cono contra el asiento de la válvula, el fluido que no sobrepase dicha presión fluye hacia las tuberías de la instalación hidráulica hasta llegar a una válvula direccional (7) 4/2, (4 vías / 2 posiciones) accionada por palanca y con retorno por muelle, la cual comanda el sentido del movimiento en el cilindro hidráulico (8). El manómetro (6) permite visualizar la presión a la cual se esta operando.
En la instalación hidráulica actúan las siguientes presiones:
- Entre la bomba hidráulica (4) y la entrada del cilindro (8) actúa la presión ligeramente inferior a la ajustada en la válvula reguladora de seguridad (5).
- Y en el cilindro (8) actúa una presión correspondiente a la carga.
5. DISEÑO DE LA INSTRUMENTACIÓN DE LA PRENSA HIDRÁ ULICA 5.1. TIPO DE TRABAJO Diseño para instrumentar la prensa hidráulica del taller de máquinas herramientas de la Universidad Tecnológica de Pereira. 5.2. DESCRIPCIÓN Se realizó el diseño de la instrumentación de la prensa hidráulica para optimizar su funcionamiento. Con ayuda del área de la electrónica, la electrohidráulica y la hidráulica proporcional, se desarrolló un sistema de pulsadores en vez de una palanca de mando. Esto permitirá un control más preciso, abriendo la posibilidad de realizar pruebas estandarizadas, como las de doblez de piezas soldadas, entre otras operaciones. Se incluyó un sistema de cinco pulsadores, uno como parada de emergencia, dos para subir el émbolo del cilindro hidráulico y dos para realizar la operación de prensado, la utilidad de los dos pulsadores para el mando del émbolo del cilindro hidráulico radica en la seguridad industrial ya que al usar dos pulsadores en los extremos de la máquina imposibilita al operario a introducir la mano mientras se realiza el prensado. Se usó una válvula biestable de 4 vías y 3 posiciones de centro cerrado para detener el movimiento del émbolo en el momento en que se suelten los pulsadores, así el cilindro se podrá fijar en un punto. Para el control de la presión se tuvo en cuenta dos alternativas, la primera es una válvula limitadora de presión proporcional, esta válvula es usada comúnmente en la industria que requiere crear perfiles de presión para operaciones repetitivas o en operaciones especificas como es el embutido entre otras. La segunda alternativa es una válvula limitadora de presión convencional que permite el control de presión, ajustando de forma manual un valor determinado de presión. Existe una relación entre la presión y la fuerza ya que.
A
Fp = (1)
El área de trabajo (área del émbolo) tiene un valor constante, por lo tanto, al ajustar un determinado valor de presión, permite a su vez, ajustar un valor en la fuerza de trabajo. Siendo esta segunda opción más viable, ya que es más económica, y además, los requerimientos para los cuales se realizó el diseño no poseen la aplicación de la primera opción. Para corroborar dicho valor de carga se instaló sobre la mesa de la prensa hidráulica, una celda de carga que permite censar y visualizar en un display el valor de la carga que se esté aplicando. 5.3. VARIABLES Presión: p (Pa) Fuerza: F (N) 5.4. ELEMENTOS DEL SISTEMA A CONFIGURAR
- Motor eléctrico - Bomba hidráulica - Válvula direccional biestable 4/3 (4 vías / 3 posiciones) - Actuadores: cilindro de doble efecto - Válvula limitadora de presión (convencional ó proporcional) - Acoplamientos - Filtro - Depósito
6. SIMULACIÓN DE LA INSTRUMENTACION Para la simulación del sistema hidráulico y electrónico se usaron programas que permiten ver el comportamiento previo al montaje real. 6.1. SIMULACIÓN DEL SISTEMA ELECTROHIDRÁULICO PROPU ESTO
- Primer paso (Figura 27): se puede observar como el motor eléctrico (3) entrega energía mecánica de rotación para ser convertida por medio de una bomba hidráulica (4) en energía hidráulica.
La válvula direccional (7) se encuentra en su punto de reposo, en el cual el fluido no atraviesa la misma y por tanto no fluye al cilindro (punto muerto).
Figura 27. Simulación, posición 1.
- Segundo paso (Figura 28): para realizar la operación de prensado es necesario pulsar los dos pulsadores P1, los cuales hacen energizar el relé k1, para que este cierre un contacto normalmente abierto del mismo, y así, energizar el solenoide y1. Este solenoide conmuta la válvula direccional (7) para que la conexión de presión fluya a través de ella hasta llegar a la conexión (A). Al mismo tiempo la conexión (B) se une con el retorno al tanque (1).
Figura 28. Simulación, posición 2.
- Tercer paso (Figura 29): para el retorno del cilindro hidráulico (8) se pulsan los dos pulsadores P2 los cuales hacen energizar el relé k2, para que este cierre un contacto normalmente abierto del mismo, y así, energizar el solenoide y2. Este solenoide conmuta la válvula direccional (7) para que la conexión de presión fluya a través de ella hasta llegar a la conexión (B). Al mismo tiempo la conexión (A) se une con el retorno al tanque (1).
Figura 29. Simulación, posición3.
- Cuarto paso (Figura 30): llamado parada de emergencia. En el momento en que sea necesario detener el cilindro hidráulico por razones de seguridad, solo basta con pulsar un pulsador normalmente cerrado que corta toda la energía del circuito eléctrico, en el momento en que se produzca este corte de energía, la válvula direccional (7) retorna a su punto de reposo (punto muerto), en el cual el fluido no atraviesa la misma y por tanto el cilindro hidráulico (8) se detiene. Por otro lado la válvula limitadora de presión (5) actúa como válvula de seguridad retornando todo el fluido nuevamente al tanque (1).
Figura 30. Simulación, posición4.
6.2. SIMULACIÓN SISTEMA ELECTRÓNICO La Figura 31. Diagrama de bloques. Muestra el recorrido de la señal a medir. Donde, el cilindro hidráulico envía un estímulo físico, que es convertido por el sensor en una señal eléctrica, y esta a su vez se amplifica para su lectura. Figura 31. Diagrama de bloques. En este circuito electrónico se pueden ver los diferentes elementos electrónicos presentes en la tarjeta acondicionadora de señal, al mismo tiempo se pueden hacer mediciones de la tensión eléctrica en cada punto del circuito. En la parte inferior de la figura 32. Se puede ver una simulación, en donde se le aplicó una carga de forma incremental a la celda de carga de tal manera que el voltaje de salida tomado en el punto A del circuito electrónico muestra el valor de dicha carga como voltaje, hasta llegar a un valor de 7.500 mV equivalentes en carga a 3.34 KN.
CILINDRO HIDRÁULICO
SENSOR
CIRCUITO ACONDICIONADOR
DE SEÑAL
DISPLAY (MULTÍMETRO)
Carga aplicada
Señal eléctrica equivalente a la carga aplicada
Amplifica y depura la señal entregada por el
sensor
Figura 32. Simulación, celda de carga.
Valor del voltaje medido en A 7.500 mV equivalentes a 750 lbf = 3.34KN
7. DEMOSTRACIÓN DE LA IMPLEMENTACIÓN DEL NUEVO AUTO MATISMO Esta simulación se realizó en los laboratorios de mecatrónica del SENA utilizando dispositivos hidráulicos, mecánicos y eléctricos los cuales permiten ver un funcionamiento previo al montaje. 7.1. DESCRIPCIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA Figura 33. Caja de pulsadores.
Como se aprecia en la imagen (Figura 33. Caja de pulsadores), se tienen cinco pulsadores, esta caja llamada también control permite accionar el sistema para que el cilindro hidráulico realice la operación de prensado y retroceso. PE (parada de emergencia) se utiliza para desenergizar el sistema y así poder detener por completo el funcionamiento del mismo. Los pulsadores P1 y P2 son usados para subir y bajar el cilindro respectivamente.
Figura 34. Caja de relés.
P1
P2
P.E.
Relé K1 Contacto NA de K1 Contacto NA de K2 Relé K2
En la imagen (Figura 34. Caja de relés) observamos los relés K1 y K2 con sus respectivos contactos NA y NC, los cuales energizan los solenoides de la válvula direccional.
Figura 35. Fuente de alimentación.
Suministra la energía al circuito eléctrico.
Figura 36. Válvula direccional 4/3 biestable (7).
24 V Común
Solenoide Y1
Conexión A Conexión P Conexión T
Conexión B
Solenoide Y2
Comanda el sentido del flujo de aceite proveniente de la bomba y retorna el exceso al tanque. Esta válvula posee cuatro conexiones y tres posiciones. Una conexión de presión (P) proveniente de la bomba, una conexión al tanque (T), y las conexiones (A) y (B) que van al cilindro para salir y entrar respectivamente. Las tres posiciones de conmutación permiten unir las conexiones (P) con (A) para salir y (B) con (T) para retornar el fluido al tanque, una posición de reposo en la cual las piezas móviles no accionadas, han tomado una posición determinada por una fuerza (muelle) y una tercera posición que une a (P) con (B) y a (A) con (T) para el retorno del cilindro.
Figura 37. Cilindro hidráulico (8).
Es el encargado de transformar la energía hidráulica que entrega la bomba, por energía mecánica para realizar trabajo.
Cilindro hidráulic
o
Conexión (A)
Conexión (B)
Émbolo del cilindro
Figura 38. Celda de carga.
La celda de carga, es un sensor que recibe una señal ó estimulo físico y responde con una señal eléctrica. Los Sensores y sus circuitos asociados son usados para medir varias propiedades físicas tales como la presión entre otras. Estas propiedades actúan como los estímulos del sensor, y la salida del sensor es acondicionada y procesada para proveer o brindar la correspondiente medida de la propiedad física. Figura 39. Tarjeta acondicionadora de señal.
Amplifica y depura la señal entregada por el transductor para ser visualizada por un elemento de indicación (multímetro digital o análogo, display digital).
Resistencia variable
Resistencia constante
Amplificador operacional LM324
Transistor
Referencia de voltaje REF01
Señal de salida
Amplificador de instrumentación
AD 620
Salida del sensor - Rojo (10 V) - Negro (Común) - Verde (+ AD620) - Blanco (- AD620)
Figura 40. Display ó multímetro.
Es el encargado de mostrar el valor en mV correspondiente a la carga aplicada. Ejemplo. -1,620 V = 162.0 lb = 720 N (El signo menos indica que es a compresión). Figura 41. Manómetro (6).
Elemento análogo de medición de presión. Ejemplo 20 bar. Que es la presión de trabajo regulada por la válvula limitadora de presión.
Figura 42. Válvula proporcional limitadora de presión.
Esta válvula sirve para el ajuste a distancia eléctrico de la presión hidráulica y así regular la presión al valor nominal eléctrico. Además, permite crear perfiles de presión para un determinado proceso.
Figura 43. Tarjeta de control de la válvula proporcional limitadora de presión.
Se encarga de recibir y amplificar la información proveniente del LVDT de la válvula proporcional limitadora de presión, modifica este valor automáticamente hasta ajustar el valor preseleccionado, cuenta también con dos potenciómetros que pueden generar rampas ascendentes y descendentes para crear perfiles de presión, los tiempos de estas rampas pueden ser modificados por medio de relés.
Conexión de presión (P)
Conexión al tanque (T)
Solenoide proporcional
Rampa ascendente
Rampa descendente
Figura 44. Válvula limitadora de presión convencional (5).
Es la encargada de limitar la presión de trabajo proveniente de la bomba hidráulica, al mismo tiempo limita la carga aplicada por el émbolo del cilindro hidráulico. Su ajuste se hace manual, por medio de una perilla giratoria ubicada en el extremo izquierdo de la válvula. Figura 45. Conjunto bomba hidráulica y motor eléctrico.
El motor eléctrico recibe corriente eléctrica y la convierte en energía mecánica de rotación, esta última es entregada a la bomba hidráulica, para ser convertida en energía hidráulica que abastece al sistema.
Perilla giratoria
Conexión de presión (P)
Conexión al tanque (T)
Presión de trabajo
Motor eléctrico
Bombas hidráulicas en paralelo
Paro de emergencia
7.2. OPTIMIZACIÓN DEL SISTEMA. El nuevo diseño de la instrumentación de la prensa hidráulica cuenta con innovaciones de tipo electrohidráulico y electrónico. Por una parte el nuevo rediseño de la prensa hidráulica permitirá ser manejada por medio de cinco pulsadores, como ya se había mencionado. Esto permitirá un control más seguro, rápido, preciso. El uso de una válvula de tres posiciones permite detenciones en cualquier posición del émbolo. Una celda de carga montada sobre la mesa, permite visualizar y ajustar el valor de cero (eliminar el valor offset) por medio de un potenciómetro, un display permite ver el valor de la carga aplicada sobre la pieza, esta carga no solo es visualizada sino que también puede ser controlada por medio de una válvula limitadora de presión convencional, que gradúa el valor de la presión ó carga aplicada (sirve también como válvula de seguridad).
8. CONCLUSIONES.
- Se pudo levantar sin dificultad el plano hidráulico, ya que se disponía del catálogo de la máquina en el cual se encontraba especificado el funcionamiento.
- Se realizó el diseño de la instrumentación de la prensa hidráulica para los
requerimientos especificados en el objetivo general, ya que con este nuevo rediseño será posible realizar pruebas de doblez de piezas soldadas.
- Se simuló mediante un software de ingeniería todas las posiciones. - Se demostró en los laboratorios de hidráulica del SENA que es posible
implementar este nuevo rediseño.
9. RECOMENDACIONES
- Instalar reguladores de caudal a la entrada y salida del cilindro hidráulico para controlar la velocidad de ascenso y descenso del émbolo.
- Es necesario llevar a cabo tareas de mantenimiento a la prensa hidráulica
tipo CDM 80-1 (LD 80) del taller de máquinas herramientas de la Universidad Tecnológica de Pereira, como son: cambios de aceite, filtros, racores, empaquetadura, tubería rígida por tubería flexible de alta presión. También es necesario enderezamiento y rectificada de la mesa base.
- Los controles y circuitos eléctricos deben estar protegidos ó en un lugar
donde no halla presencia aceite.
- La celda de carga debe estar fija a la mesa base, pero esta fijación no puede ser mediante elementos que apliquen presión sobre ella.
- Verificar la alineación y nivelación.
- El paro de emergencia debe ser un pulsador de gran tamaño y de color rojo
con su respectivo distintivo. Se debe instalar a unos 80cm del piso para que pueda ser accionado con la cintura o el pie en caso de ser necesario.
- Para mayor seguridad los controles de ascenso y descenso deben tener por
lo menos 1m de separación.
BIBLIOGRAFÍA
- [1] H, Exner., R, Freitag., H, Geis. Fundamentos y componentes de la oleohidráulica, Alemania: Bosch Rexroth 1999.
- [2] D, Merkle., B, Schrader., M,Thomes. Hidráulica manual de estudio nivel
básico, Colombia: Festo Didactic 1989.
- [3] P, Drexler., H, Faatz., F, Feicht. Proyecto y construcción de equipos hidráulicos, Alemania: Bosch Rexroth 1999.
- [4] PORRAS, Alejandro C., MONTANERO, Antonio Placido M. Autómatas
Programables, España: Mc Graw Hill 1990.
- [5] PIEDRAFITA, Ramón M. Ingeniería De La Automatización Industrial, España: RA-MA.
- [6] HYDE, Jhon., REGUÉ, Josep., CUSPINERA, Albert. Control
Electrohidráulico y Electrónico, España: Norgren 1997.
