Sistemas hidráulicos de accionamiento manual............................ 3 Sistema hidráulico de accionamiento por motor eléctrico........... 6 Representación de un circuito hidráulico básico .......................... 7 Partes de un sistema hidráulico....................................................... 8 Flujo energético .................................................................................. 8 ¿Por qué los cambios energéticos? .................................................. 9 Eficiencia total de un sistema oleohidráulico .............................. 10 Potencia eléctrica, hidráulica y mecánica.................................... 10 Eficiencias. diagrama de sankey.................................................... 13
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1. Sistemas hidráulicos de accionamiento manual Veamos que elementos conforman un circuito oleohidráulico elemental de accionamiento manual pero de uso muy común:
Multiplicador de fuerzas Hidráulico.
Figura 4.1 Sistema Básico
Multiplicador de fuerzas mecánicas y multiplicadoras de fuerzas hidráulico.
Figura 4.2 Sistema con Palanca
Utilizando válvulas antiretorno.
Figura 4.3 Sistema para sostener la carga y desplazarse en forma continua
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Permite el retorno del pistón de simple efecto debido a su propio peso o a una fuerza externa. Este es el esquema típico de una gata hidráulica.
Figura 4.4 Sistema con válvula de descarga
Sistema muy frecuente, con válvula limitadora de presión o válvula de seguridad. Se utiliza en prensas, montacargas, etc.
Figura 4.5 Sistema con válvula limitadora de presión
La carga asciende tanto con la carrera de arriba hacia abajo como con la carrera de abajo hacia arriba de la bomba manual.
Figura 4.6 Sistema con bomba de pistón de doble efecto
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El SISTEMA HIDRÁULICO, tiene: • • • •
Bomba de un pistón de accionamiento manual de doble efecto. Válvula de control de máxima presión (válvula limitadora de presión). Válvula de distribución de caudal 4/3 de accionamiento manual y centrado por muelles. Actuador: pistón de doble efecto.
Figura 4.7
Veamos como debe actuar la válvula distribuidora para que salga
el pistón:
Figura 4.8
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Veamos como debe actuar la válvula distribuidora para que entre
el pistón:
Figura 4.9
2. Sistema hidráulico de accionamiento por motor eléctrico Si reemplazamos la bomba de accionamiento manual por una bomba accionada por un motor eléctrico o un motor de combustión interna (motores gasolineros o petroleros) para obtener un “flujo continuo” de caudal tendremos un sistema hidráulico básico como el que se muestra a continuación:
M
Figura 4.10
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3. Representación de un circuito hidráulico básico El circuito mostrado anteriormente (Figura 4.10) se representa simbólicamente de acuerdo a la norma DIN 1219 (Figura 4.11):
M
Figura 4.11
Esquemáticamente (Figura 4.12): Con la válvula accionada para que el pistón salga.
A
B
P
T
Figura 4.12
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4. Partes de un sistema hidráulico Un sistema hidráulico tiene las siguientes partes: •
Bomba Unidad de Transformación de Energía mecánica en Energía de Fluido. La energía mecánica es el movimiento rotacional que entrega el motor eléctrico al eje de la bomba y la energía de fluido básicamente esta constituida por presión y caudal.
•
Control de presión y caudal Constituido en este caso por las válvulas presión y la válvula distribuidora 4/3.
limitadora de
La válvula de estrangulamiento y la válvula check. •
Actuador Constituido por el cilindro el cual es un conversor de energía de fluido en energía mecánica (movimiento lineal que desplaza una fuerza, es decir que realiza un trabajo).
5. Flujo energético Esta identificación de las partes permite distinguir el flujo energético en un sistema hidráulico: •
Transformación de energía mecánica en energía hidráulica.
•
Control de la energía hidráulica.
•
Transformación de la energía hidráulica en energía mecánica.
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CONVERSOR DE ENERGIA DE FLUIDO EN ENERGIA MECANICA : ACTUADORES
CONTROL DE ENERGIA : VALVULAS DE CONTROL DE PRESION Y CAUDAL
CONVERSOR DE ENERGIA MECANICA EN ENERGIA DE FLUIDO : BOMBA
M
Figura 4.13
6. ¿Por qué los cambios energéticos? El cuadro mostrado nos sugiere la siguiente pregunta: ¿Por qué pasar de la energía mecánica en el eje del motor a la energía hidráulica (de fluido) y luego nuevamente a energía mecánica? a) Porque los motores: eléctrico o de combustión interna dan alta velocidad angular pero bajo torque: El motor eléctrico síncrono gira a 3600, 1800, 1200 o 900 rpm. El motor de combustión interna gira en ramentí a 500, 800, 1500 rpm. Por lo tanto si queremos bajas velocidades y altos torques tenemos tres posibilidades: Reductor mecánico de velocidades: Cajas mecánicas con engranajes, poleas fajas, etc. Controlador electrónico de velocidades. Sistemas hidráulicos.
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b) Los motores: eléctrico o de combustión interna dan velocidad angular y se requiere velocidades lineales. Para la transformación tenemos: Rueda dentada, cremallera. Cadenas, fajas. Sistemas hidráulicos. En ambos casos los sistemas oleohidráulicos son una buena alternativa considerando las siguientes ventajas: Flexibilidad mecánica. Fácil control. Alta potencia transmitida. Además debemos considerar las ventajas citadas en la Unidad I. 7. Eficiencia total de un sistema oleohidráulico También debemos considerar que estos cambios energéticos están asociados a una degradación de la energía debido a las pérdidas, manifestadas en forma de calor, cuya cuantificación podemos evaluarla a través de la eficiencia total de un sistema hidráulico.
n
SISTEMA HIDRAULICO
=
[0,60...0,75]
El uso de bombas de caudal variable ha hecho posible una importante mejora de la eficiencia total del sistema hidráulico. Convencionalmente ha sido del 40%, pero actualmente se cuenta con sistemas con eficiencias del 60% al 75%. 8. Potencia eléctrica, hidráulica y mecánica Comúnmente se emplea el término de Potencia como un sinónimo de Energía (Tome en cuenta que la Energía es el producto de la Potencia por el tiempo).
P =
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E t
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Es importante conocer su evaluación en cada caso: Si el motor que acciona a la bomba es eléctrico: •
La potencia (eléctrica) que recibe el motor eléctrico (monofásico) esta dado por:
P RECIBE MOTOR ELECTRICO 1φ
•
= U . I .Cosθ
Si el motor eléctrico es trifásico, la potencia que recibe esta dado por:
P RECIBE MOTOR ELECTRICO 3φ = 3.U . I .Cosθ
•
Si el motor que acciona a la bomba es de combustión interna: .
P RECIBE MOTOR COMBUSTION INTERNA = m . P oder C alorifico Luego: La potencia que recibe la bomba es la POTENCIA DEL MOTOR: (Es la potencia mecánica que entrega el motor eléctrico o de combustión interna).
P RECIBE
BOMBA
= M E .
E
La potencia que entrega la bomba al sistema hidráulico o POTENCIA DE LA BOMBA es:
P ENTREGABOMBA = p1.Q1 Para casos prácticos: P =
ρ ⋅ Q 600
ρ → bar Q → ρ /min P → Kw
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P RECIBE
MOTOR COMBUSTION
A C I L U A R D I H O E L O
INTERNA
.
=
EQUIMICA
E
PMOTOR COMBUSTION INTERNA
m . P oder C alorifico
M
P ENTREGA
BOMBA
EMECANICA
P RECIBE
EELECTRICA
BOMBA
= M E .ω E
M P RECIBE
MOTOR ELECTRICO 1φ
PMOTOR ELECTRICO
= U . I .Cos θ
P RECIBE =
MOTOR ELECTRICO 3 φ
3.U . I .Cos θ
Figura 4.14
La potencia (hidráulica) que entrega el sistema de control al actuador:
P ENTREGA
SISTEMA
DE CONTROL
=
p 2 .Q 2
La potencia que recibe el actuador es:
P RECIBE
EL ACTUADOR
= ∆ p .Q
2
La potencia (mecánica) que entrega el cilindro hidráulico:
P ENTREGA
CILINDRO
=
F .v
La potencia (mecánica) que entrega el motor hidráulico:
P ENTREGA
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MOTOR
HIDRAULICO
=
M A .ω A
=
p1 .Q1
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Emecánica
p2
Eoleohidráulica
Q2 P RECIBE EL ACTUADOR
Potencia que entrega cilindro
= ∆ p.Q2
P ENTREGA
p3
CILINDRO
=
F .v
p2 P ENTREGA SISTEMA DE CONTROL
= p2 .Q2
Q2
Eoleohidráulica P RECIBE
EL ACTUADOR
Emecánica
= ∆ p .Q 2
Potencia que entrega motor oleohidráulico
p3 P ENTREGA
MOTOR HIDRAULICO
= M A .ω A
Figura 4.15
9. Eficiencias. diagrama de sankey Cada parte del sistema presenta un promedio de pérdidas por lo que se puede definir las siguientes eficiencias:
η BOMBA
SISTEMA CONTROL HIDRAULICO
η ACTUADOR
=
=
=
P ENTREGA P RECIBE
PENTREGA
BOMBA BOMBA
SISTEMA CONTROL HIDRÁULICO
PENTREGA
P ENTREGA P RECIBE
BOMBA
ACTUADOR ACTUADOR
Los valores promedios de éstas eficiencias se encuentran en el siguiente diagrama de SANKEY:
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70 - 75 % POTENCIA DE SALIDA
5 - 10 % CILINDRO MOTORES
10 % VALVULAS TUBERIAS
10 % BOMBA
5 % MOTOR ELECTRICO
M POTENCIA DE ENTRADA POTENCIA ELECTRICA
Figura 4.16
Ejemplo Para el siguiente diagrama: • •
Calcular la presión p (bar). Calcular el torque M de un motor (N – m).
p
250 bar Q = 10 GPM
220 V 25 HP
M
3 V . A. = 50 cm / rev.
η MOTOR
η TBOMBA = 90 % n = 1800 rpm
=
85%
M ( N-m ) TORQUE
10 bar
Figura 4.17
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Solución •
Cálculo de la presión:
P BOMBA
η BOMBA
=
P MOTOR
=
P BOMBA
=
P MOTOR 25 HP
p * Q 600
Reemplazando los datos en estas relaciones tenemos: p = 266 bar. Cálculo del torque:
η MOTOR =
P MOTOR P HIDRAULICA
P HIDRAULICA =
∆ p * Q
600
P MOTOR = M *ω ω = n=
2 *π * n 60
Q V . A.
= 757
rpm
Reemplazando los datos en estas relaciones tenemos: T = 162 N – m.
