Cilindros moviéndose en sincronización

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Sincronización de dos cilindros de aire | ASHM, Aceros y Sistemas Hidráulicos de México S. A. de C. V.

Para levantar una carga en común entre dos cilindros de aire y que se muevan a la misma velocidad es necesario que se ajuste la velocidad de cada cilindro con una válvula de control de flujo en cada una de las líneas del cilindro. Se deben ajustar hasta que los cilindros se muevan juntos en ambas direcciones. De vez en cuando, después de cierto tiempo de uso, las válvulas de control de flujo tienen que ser reajustadas.

Si la proporción de la carga cambia en uno de los cilindros después de haber sido ajustadas las válvulas de control de flujo, tienen que ser ajustadas nuevamente.

Cuando sea posible, es mejor utilizar un solo cilindro grande en lugar de dos cilindros pequeños, como en el caso de una plataforma que tenga que ser levantada.

Cilindro de aire controlado con válvula de solenoide

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Cilindro de aire de doble acción controlado con válvula de solenoide | ASHM, Aceros y Sistemas Hidráulicos de México S. A. de C. V.

Los circuitos de aire generalmente utilizan uno de dos tipos de válvula de solenoide. Una válvula de solenoide sencilla con carrete retornado por resorte (se muestra del lado izquierdo en la imagen de arriba, A) y una de doble solenoide sin resortes de centrado (se muestra a la derecha en la imagen de arriba, B). La elección entre estos dos tipos de válvula depende del que tipo de señal eléctrica que se use para el arranque. Cuando se utiliza la válvula de solenoide sencilla, la bobina debe mantenerse energizada para que el carrete se mantenga en su posición y utilizando la válvula de doble solenoide el carrete cambia cuando la bobina se energiza pero no tiene que seguir energizada para que se mantenga en su posición.

En la figura A en la imagen de arriba la solenoide es energizada por una fuente de corriente que pasa por un botón que es normalmente abierto. De esta manera, si la corriente eléctrica fallara, el cilindro se retraería. Las líneas punteadas en el diagrama muestran el circuito eléctrico. Al presionar el botón, el cilindro se extiende y se va a mantener extendido hasta el final de su carrera mientras que la bobina de la solenoide siga siendo energizada. Al soltar el botón el cilindro se va a retraer.

En control de velocidad en estos circuitos se logra por medio del uso de válvulas de aguja que van en las líneas de conexión entre las válvulas del cilindro. Se muestran en la imagen de arriba.

En la figura B de la imagen de arriba, la válvula de doble solenoide funciona accionado el botón 1 para que el cilindro de extienda. El cilindro va a permancer extendido hasta que se presione el botón 2 y esto haga que el cilindro se retraiga. También se muestra el circuito eléctrico con líneas punteadas en la imagen.

Control por botón de purga

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Control de cilindro de aire por botón de purga | ASHM, Aceros y sistemas hidráulicos de México S.A. de C.V.

En este circuito se utiliza una válvula de 4 vías con botones de purga que están roscados en las tapas en ambos extremos. El botón de la izquierda hace que el cilindro se extienda y el botón de la derecha hace que el cilindro se contraiga. La acción de la válvula de purga hace que los bloques de la válvula se muevan en dirección contraria al botón que fue activado. La activación del botón de purga hace que el carrete se mueva hacia el extremo que ha sido purgado.

Se recomienda utilizar únicamente los modelos de doble purga sin que la válvula tenga resorte. Para controlar la velocidad se pueden utilizar válvulas de aguja como se muestra en el diagrama de arriba.

Control de cilindro de aire con válvulas de 4 vías

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Control con palanca manual de un cilindro de simple acción | ASHM, Aceros y sistemas hidráulicos de México S.A. de C.V.

El aire comprimido para estos circuitos se obtiene del sistema de distribución de aire de la planta y tiene que pasar por una válvula de cierre y por un ensamble de trío (filtro, regulador de presión y lubricador). El regulador de presión del ensamble debe ser ajustado a que permita pasar la menor presión necesaria para que el cilindro sea accionado.

Prensa o sujetador de aire

En la imagen de arriba se muestra una válvula que tiene un retenedor de posición para mantenerla en su posición. La velocidad de extensión del cilindro con la válvula de aguja (2) que fue colocada en la entrada de aire al sistema. Si se requiere que la velocidad de retracción también sea controlada se puede colocar otra válvula de aguja (3) en el puerto de escape (EA).

Si es posible se puede instalar un filtro en el extremo del vástago del cilindro para evitar que entre suciedad al cilindro cuando se retrae.

Control de palanca manual

Control manual por palanca de un cilindro de doble acción | ASHM, Aceros y sistemas hidráulicos de México S.A. de C.V.

Arriba se muestra el circuito básico para controlar un cilindro de aire de doble acción. Se muestra una válvula de palanca manual de doble escape con retenedor de posición y el carrete se posiciona por fricción. Las válvulas de aguja dan control de velocidad en ambas direcciones de movimiento. Si se requiere se pueden instalar también dos válvulas de control de flujo en las líneas que conectan la válvula al cilindro y se pueden instalar también silenciadores roscables en las líneas de escape para reducir el silbido del aire.

Seleccionar el tamaño de vávulas y tubería

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Una regla para determinar el tamaño de las válvulas es la de seleccionar el tamaño de los puertos del mismo tamaño de los puertos del cilindro que se va a utilizar. Los cilindros de 3″ de diámetro tienen puertos de 1/4″ de tubería. Si hubiera varios cilindros en el sistema se requeriría una válvula más grande para conseguir suficiente velocidad. Para seleccionar el tamaño de la tubería se utiliza el mismo método. El área interior de un tubo de cédula 40 puede manejar cilindros de hasta 3″ de diámetro.

Válvulas de cierre para líneas de aire | ASHM, Aceros y sistemas hidráulicos de México S.A. de C.V.

Válvulas de cierre para líneas de aire

Se debe instalar una válvula de cierre y venteo en la línea de alimentación de aire de cada una de las máquinas operadas por aire antes del ensamble de trío.

Control de velocidad de cilindros de aire

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Válvula de control de velocidad con válvula de aguja | ASHM, Aceros y sistemas hidráulicos de México S.A. de C.V.

En la mayoría de sistemas de aire se necesita tener control o limitación de la velocidad en ambas direcciones porque el aire viene de una fuente casi ilimitada y la única forma de limitar su velocidad máxima es ajustar la resistencia al flujo de la línea de alimentación. Una válvula de control de velocidad debe ser colocada en cada una de las direcciones del aire, para la de entrada y para la de salida. La forma más económica y eficiente de lograr esto es colocando válvulas de 4 vías de doble escape con una válvula de aguja como la que se muestra arriba en cada puerto de escape.

Detención de un cilindro de aire a media carrera

La máquina debe ser diseñada para evitar que el pistón pueda ser detenido en cualquier lugar de su carrera. Debe serle permitido detenerse contra un tope en cada extremo. El detener el pistón de un cilindro de aire en cualquier lugar de su carrera es muy difícil ya que cuando se corta el suministro de aire el pistón sigue su trayectoria por una distancia corta. Esta es distancia el imprevisible porque depende de muchos factores. Y aunque el cilindro pudiera ser detenido en una posición exacta quedaría en una condición inestable y podrían causarse accidentes y alguna persona podría ser lastimada.

Control de válvulas de solenoide | ASHM, Aceros y sistemas hidráulicos de México S.A. de C.V.

Control con válvulas de solenoide

Para controlar eléctricamente un cilindro de aire en circuitos simples la mayoría de las veces se utiliza una válvula de doble solenoide de dos posiciones.

En la imagen de arriba se muestran los símbolos gráficos para estas válvulas de solenoide. La posición neutral es solamente requerida cuando se operan motores de aire.

Circuitos de aire comprimido

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Ensamble de trío para aire | ASHM, Aceros y sistemas hidráulicos de México S.A. de C.V.

En las plantas industriales el aire del compresor es enviado a través de la tuberías a las áreas donde las máquinas lo necesitan. En el punto de entrada a cada una de las máquinas el aire debe ser filtrado y lubricado antes de pasar a las válvulas o al cilindro para remover agua o contaminantes que sean sólidos. También el nivel de presión debe ser reducido en cada máquina para obtener su nivel mínimo conveniente. Cada circuito de aire incluye una pieza de procesamiento que es comúnmente llamada «trío», que es un ensamble de tres partes: un filtro, un regulador de presión y un lubricador. Generalmente se le añade también un indicador de presión.

Símbolo para ensamble de trío | ASHM, Aceros y sistemas hidráulicos de México S.A. de C.V.

Arriba se muestra el símbolo para el ensamble de trío. Empezando a la izquierda, la línea punteada vertical representa al filtro, la flecha larga cruzada representa al regulador ajustable, el círculo pequeño representa al indicador de presión y la línea corta vertical a la derecha representa al lubricador. Este símbolo es fácil y rápido de dibujar.

Válvulas hidráulicas de dos posiciones, doble solenoide

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Válvula hidráulica de doble solenoide | ASHM, Aceros y sistemas hidráulicos de México S.A. de C.V.

En esta válvula energizar una de las solenoides va a causar que el carrete principal se mueva a la dirección opuesta y se mantendrá ahí hasta que se haya desenergizado la solenoide.

Para evitar que el carrete de la válvula se mueva debido a la vibración de la máquina o debido a flujo excesivo, el carrete debe ser detenido y la válvula debe ser montada en posición horizontal.

Símbolos gráficos para válvulas de solenoide de 4 vías operadas por piloto | ASHM, Aceros y sistemas hidráulicos de México S.A. de C.V.

Estos símbolos muestran que el carrete no se moverá a menos que se aplique una corriente eléctrica a la solenoide y que una presión de fluido de 50 a 100 PSI esté presente para posicionar al carrete. El símbolo es dibujado con ambos símbolos, de presión y eléctrico, como actuadores, uno sobre otro. El tríangulo significa piloto por presión hidráulica.

Válvulas de doble solenoide

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Válvulas de doble solenoide | ASHM, Aceros y Sistemas HIdráulicos de México S.A. de C.V.

Estas válvulas son de 3 posiciones, centradas por resorte y de centro cerrado. La válvula chica que está montada en la espalda controla el posicionamiento del carrete principal. La válvula piloto tiene un centro flotante. Cuando ambas solenoides no están energizadas los dos extremos del carrete están venteados al depósito y el centrado por resorte coloca al carrete a la posición neutral al centro. Cuando el carrete piloto está centrado la presión piloto del carrete principal es bloqueada.

Al diseñar circuitos eléctricos para estas válvulas es importante que no se permita que ambas bobinas de una válvula de doble solenoide se energizen al mismo tiempo, porque si esto sucediera una armadura quedaría en el asiento y la otra se mantedría abierta y la bobina de la que se mantuviera abierta se quemaría en un poco tiempo debido a la alta corriente de entrada.

Partes de trabajo de una válvula de solenoide operada por piloto

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ASHM, Aceros y Sistemas HIdráulicos de México S.A. de C.V.

En las válvulas de 4 vías de solenoide operadas por piloto el extremo del resorte del carrete principal debe ser venteado a la atmósfera. Cuando se energiza el solenoide una válvula miniatura de 3 vías se abrirá y moverá la posición del carrete hacia la derecha y se mantendrá así hasta que se desenergize el solenoide. Cuando se desenergiza el extremo derecho del carrete se convierte en venteado a la atmósfera y el carrete regresa a su posición normal.

El carrete principal de la válvula puede posicionarse más lentamente si se instala una válvula de control de flujo en el extremo izquierdo, que ventea a la atmósfera. Para servir de piloto, una presión mínima de 50 PSI para sistemas hidráulicos debe estar disponible.

Válvulas solenoide operadas por piloto de 4 vías

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Válvula de solenoide sencilla | ASHM, Aceros y Sistemas HIdráulicos de México S.A. de C.V.

Una válvula de solenoide operada por piloto es una válvula en la cual el carrete principal es posicionado por presión de fluido que viene del puerto de entrada. Para aplicar presión al extremo del carrete y así posicionarlo, la solenoide abre o cierra un orificio miniatura de la válvula de control. Una solenoide operada por piloto, abriendo y cerrando orificios miniatura puede controlar un carrete mucho más grande de una válvula.

Modelo de solenoide sencilla

En la imagen de arriba se muestra una válvula hidráulica típica de 4 vías de solenoide sencilla, tipo operada por piloto.

Estas válvulas se construyen en dos secciones. La primera sección es la sección piloto e incluye una válvula miniatura de 3 o 4 vías de acción directa operada por una solenoide y montada sobre la espalda del cuerpo de la válvula. Se maquina una base de montaje sobre la superficie del cuerpo principal y la sección de piloto se atornilla a esta base con conexiones al cuerpo principal.

Limitaciones de solenoides de acción directa

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Símbolos gráficos para válvulas de solenoide de acción directa | ASHM, Aceros y Sistemas HIdráulicos de México S.A. de C.V.

1. Debido a su estructura interna, las solenoides de acción directa tienen una abertura de aire que hace que su fuerza de arranque sea pequeña. Al ser poca la fuerza de arranque, es insuficiente para posicionar un carrete de una válvula grande.

2. Las solenoides tienen que ser construidas para que se puedan cerrar rápidamente y reducir la corriente de fluido. Las solenoides grandes se suelen destruir a sí mismas debido al impacto al cerrarse.

3. Si dos solenoides están acoplados a los extremos opuestos del mismo carrete, solo se puede sentar uno de ellos a un tiempo.

4. Ya que la armadura de solenoide debe poder sentarse tan rápido como sea posible, la velocidad del carrete no debe ser disminuida con el propósito de reducir el impacto del golpe.

Las ventajas de las válvulas de solenoide acción directa es que son más rápidas para el posicionamiento del carrete y por lo tanto son preferidas en aplicaciones que requieren una respuesta extremadamente rápida.

Válvulas de solenoide de 4 vías de acción directa

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Válvulas de solenoide sencilla y de doble solenoide | ASHM Aceros y Sistemas HIdráulicos de México S.A. de C.V.

En éstas válvulas la armadura de la solenoide actúa directamente sobre el carrete de la válvula y provee la fuerza física para que se posicione. La mayoría de las válvulas de solenoide modernas utilizan el sistema de «empuje» en donde la armadura de la solenoide se extiende hasta por el centro de la bobina. Cuando la bobina de la solenoide se energiza la armadura se jala hacia adentro y se coloca contra el corazón de fierro. Los modelos de doble solenoide tienen acción de 2 posiciones centradas por resorte.

Los modelos que utilizan baja potencia eléctrica no generan mucha fuerza y solo se pueden posicionar los carretes cuando la fuerza necesaria para hacerlo sea de unas pocas libras. Las válvulas de acción directa están por lo tanto limitadas a ser utilizadas en aplicaciones de bajo flujo o de baja fuerza.

La mayoría de los modelos disponibles de válvulas hidráulicas de solenoide de acción directa son de 1/4″ y 1/2″. En la imagen de abajo se muestra este tipo de válvula.

Válvula de solenoide de acción directa | ASHM Aceros y Sistemas HIdráulicos de México S.A. de C.V.

Válvulas direccionales de 5 vías

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Válvulas direccionales de 5 vías | ASHM, Aceros y Sistemas Hidráulicos de México S. A. de C. V.

Estas válvulas se utilizan cuando se necesitan presiones de entrada de dos diferentes niveles. En lugar de una válvula de 5 vías también se puede utilizar una válvula de 4 vías con un regulador de presión en la línea de entrada y una válvula de retención para el flujo en dirección de reversa. Estas válvulas se utilizan en su mayoría para aire comprimido y tienen 5 puertos. Dos entradas P1 y P2, dos puertos de salida A y B, y un puerto común de escape para ambas salidas, E.

En la imagen de arriba a la izquierda se muestra esta válvula cuando la presión entra por el puerto 1 (P1), sale al extremo ciego del cilindro (A) y al extenderse el cilindro, el flujo pasa al puerto B y de ahí se va al escape E. El cuerpo P2 está bloqueado .

En la imagen de arriba a la derecha el puerto P1 está bloqueado y el flujo pasa por el puerto P2 cuya presión ha sido previamente regulada por el regulador de presión. De ahí va al puerto de salida B, de ahí al extremo del vástago, el cilindro se retrae, y el flujo pasa al puerto A y de ahí el escape.

Estas válvulas son utilizadas para que haya alta presión en una dirección y presión reducida en la otra dirección. Un ejemplo común es la operación de un cilindro de aire el cual se utiliza para mover una compuerta. La compuerta necesita de 3 a 5 veces mayor presión para ser abierta que para ser cerrada. Cuando se cierra se ajusta a una cavidad y si se aplicara demasiada fuerza, la compuerta o la cavidad se podrían dañar o la compuerta podría quedar pegada a la cavidad.

Símbolo gráfico de una válvula de palanca manual de 5 vías | ASHM, Aceros y Sistemas Hidráulicos de México S. A. de C. V.

Válvuas de control direccional de tipo rotatorio

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Válvula de control direccional rotatoria | ASHM, Aceros y Sistemas Hidráulicos de México S. A. de C. V.

Las válvulas de control direccional tipo rotatorio cubren un rango de presión desde los 250 PSI hasta los 10,000 PSI y sus tamaños de puerto van desde 1/4″ hasta 1″ y algunas veces son más grandes.

Estas válvulas tienen una manivela que está ensamblada a un rotor el cual puede ser girado en un arco de 90˚. Al ser girada, la manivela diferentes puertos de la válvula se conectan internamente. La acción de una válvula giratoria es similar a la de una válvula de disco, solo que el rotor que actúa como el disco no se levanta del orificio.

Las diferencias principales entre una válvula giratoria y una válvula de carrete son las siguientes:

A) Las válvulas giratorias son generalmente más caras que las válvulas de carrete.

B) Las válvulas giratorias tienen mejores características de restricción o medición.

C) Las válvulas rotatorias no tienen sellos de hule, por lo cual pueden manejar muchos tipos de fluidos.

D) Generalmente sellan mejor que las válvulas de carrete y esto las hace ser más eficientes al trabajar a altas presiones.

E) El rango de tamaños es más limitado que el de las válvulas de carrete.

Dispositivos de posicionamiento de carrete para válvulas de 4 vías

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Posicionamiento por fricción

Posicionamiento por fricción | ASHM, Aceros y Sistemas Hidráulicos de México S.A. de C.V.

En las válvulas que no tienen resortes internos para retornar al carrete a su posición normal cuando no es actuado, la fricción del carrete se tiene que utilizar para mantener al carrete en la posición a la cual fue movido. Esta forma de mantener al carrete en su posición nunca debe ser utilizado para sistemas hidráulicos ya que el carrete puede moverse cuando se esté manejando un excesivo flujo de aceite. Los retenedores de carrete funcionan mejor para mantener el carrete en su posición.

Retorno por resorte

Retorno por resorte | ASHM, Aceros y Sistemas Hidráulicos de México S.A. de C.V.

Las válvulas de dos posiciones pueden ser construidas con resortes internos para retornar al carrete a su posición normal cuando no está siendo actuado.

Retenedores

Retenedores | ASHM, Aceros y Sistemas Hidráulicos de México S.A. de C.V.

Un retenedor es un arreglo mecánico para detener al carrete en la posición a la cual fue movido. Los retenedores son un método para sujetar al carrete mucho más eficiente y seguro que depender solamente de la fricción en los sellos del carrete.

Centrado por resorte

Centrado por resorte | ASHM, Aceros y Sistemas Hidráulicos de México S.A. de C.V.

Se utiliza generalmente en válvulas hidráulicas para obtener una tercera posición de trabajo la cual es normalmente una posición de centro neutral.

Símbolos para carretes de dos posiciones y de 4 posiciones

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Símbolo de válvula de 2 posiciones con doble solenoide | ASHM, Aceros y Sistemas Hidráulicos de México S.A. de C.V.

Este tipo de carrete es fabricado por todos los fabricantes de válvulas hidráulicas. Sin embargo es más utilizado para circuitos de aire porque los circuitos hidráulicos requieren una posición neutral o de paro para el cilindro.

Válvula con palanca manual de 4 posiciones de centro tándem | ASHM, Aceros y Sistemas Hidráulicos de México S.A. de C.V.

En este tipo de válvulas tres de las posiciones tienen una acción estándar de 4 vías y centro doble o tándem. La cuarta posición tiene un cuerpo abierto o flotante con un retenedor que la mantiene en su posición hasta que es soltada manualmente por el operador. La cuarta posición permite que se «flote» el cilindro de una excavadora o para permitir que vehículos con dirección hidráulica puedan ser remolcados. Estas válvulas son apropiadas solo para operación manual.

Válvula de 4 vías de centro flotante

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Válvula de 4 vías de centro flotante | ASHM, Aceros y Sistemas Hidráulicos de México S.A. de C.V.

Este tipo de válvula en su posición neutral bloquea la entrada de la válvula pero ventea ambos puertos de salida A y B al tanque, relevando de esta forma cualquier presión bloqueada en cualquiera de los puertos del cilindro. Un cilindro que esté conectado a los puertos A o B de esta válvula puede «flotar» libremente cuando el carrete esté centrado y su pistón puede ser jalado o empujado por alguna fuerza externa. Este tipo de carretes se utilizan para aplicaciones en donde el cilindro deba flotar durante alguna parte de su ciclo de trabajo, por ejemplo, en máquinas como arrastradores o empujadores de nieve.

Este carrete es una variación del carrete de centros cerrados y algunas veces se utiliza para controlar motores hidráulicos. Por ejemplo, un centro flotante en el sistema de dirección de un vehículo permitiría que este pudiera ser remolcado.

En la imagen de abajo se muestra el símbolo gráfico de este tipo de válvula, de 3 posiciones, con doble solenoide, centrada por resorte y con carrete de centro flotante.

Símbolo gráfico válvula de carrete de centro flotante | ASHM, Aceros y Sistemas Hidráulicos de México S.A. de C.V.

Válvula de 4 vías de centro tándem

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Válvula de 4 vías de centro Tandem | ASHM, Aceros y Sistemas Hidráulicos de México S.A. de C.V.

Este tipo de válvulas son muy populares para sistemas hidráulicos de baja presión, porque cuando se posicionan en neutral para detener el movimiento del cilindro permiten que una pequeña parte del flujo de la bomba se vaya hacia el depósito. Esto hace que la carga hidráulica sea removida de la bomba y del motor que la maneja aunque la bomba siga girando. Esta acción se llama «Descargando la bomba». Los puertos del cilindro también se bloquean y mantienen su posición.

Para sistemas hidráulicos de alta presión se prefieren las válvulas de centros cerrados debido al golpe generado por el posicionamiento del carrete tándem.

En sistemas de aire casi nunca se utilizan este tipo de válvulas porque al permitir que fluya el aire en su posición neutral todo el aire comprimido se ventearía eventualmente.

En la imagen de abajo podemos observar el símbolo gráfico de esta válvula de 3 posiciones, con doble solenoide, centrada por resorte y con carrete de centro tándem.

Símbolo gráfico válvula de carrete de centro tandem | ASHM, Aceros y Sistemas Hidráulicos de México S.A. de C.V.

Válvula de 4 vías de centros abiertos

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Símbolo gráfico de una válvula de 4 vías de centros abiertos | ASHM, Aceros y Sistemas Hidráulicos de México S.A. de C.V.

En este tipo de válvula, de centros abiertos, en la posición neutral del centro los puertos de entrada y de salida están abiertos al depósito. El tipo de carrete que tienen estas válvulas es llamado comúnmente de motor, porque casi siempre se utiliza para control de motores hidráulicos y minimiza los golpes del circuito cuando la válvula está centrada. No se recomienda para su uso con cilindros hidráulicos porque éstos se pueden mover cuando la válvula está en su posición centrada.

En la imagen de abajo podemos ver el símbolo gráfico para esta válvula de 3 posiciones, centrada por resorte con carrete de centros abiertos.

Símbolo gráfico carrete de centros abiertos | ASHM, Aceros y Sistemas Hidráulicos de México S.A. de C.V.

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