Tutorial Tutorial Nº 212 -
Sistemas Hidráulicos de Transmisión de Potencia Índice de contenidos:
1- Introducción 1.1Fundamentos
1.2- Ve 1.2Venta ntajas jas e inconvenientes
2- Comp Compone onente ntes s del sistema 2.1hidráulico
Fluido
2.22.2 hidráulico
ep e pósi sito to
2.!- Filtros
2."hidráulica
#om$a
2.%actuador
Cilindro
2.&2.& hidráulicas
Tu$er er'a 'as s
2.(- Válvulas
!- )roce )rocedimien dimiento to de cálculo !.1- Cálculo del cilindro hidráulico
!.2- Cál !.2Cálcul culo o de las tu$er'as
ANEXOS: *.1+'m$olos ,idráulicos
*.2- Codiicación de los Cilindros ,idráulicos
CATÁLOGOS E P!O"CTOS # ESPEC$%$CAC$ONES T&CN$CAS: '
Cilindros hidráulicos de simple do$le eecto/ cilindros para el volteo de arado/ tercer punto/ pie hidráulico/ $ra0o lateral...
'
#om$as hidráulicas manu hidráulicas manuales ales de simple do$le
2.(- Válvulas
!- )roce )rocedimien dimiento to de cálculo !.1- Cálculo del cilindro hidráulico
!.2- Cál !.2Cálcul culo o de las tu$er'as
ANEXOS: *.1+'m$olos ,idráulicos
*.2- Codiicación de los Cilindros ,idráulicos
CATÁLOGOS E P!O"CTOS # ESPEC$%$CAC$ONES T&CN$CAS: '
Cilindros hidráulicos de simple do$le eecto/ cilindros para el volteo de arado/ tercer punto/ pie hidráulico/ $ra0o lateral...
'
#om$as hidráulicas manu hidráulicas manuales ales de simple do$le
eecto/ depósit ito os para aceite hidráulico/ palancas de accion acc ionami amient ento o de la $om$a...
'
Válvulas hidr hi dráu áuli lica cas/ s/ de ti tipo po electroválvulas válvulas en l'nea
' istri$uidores '
otores
hidráulicos
'
an anu ue era ras s racores
ESA!!OLLO EL CONTEN$O
() $ntroducción (*() %undamentos 3os 3os und undam amen ento tos s de la hidr hidráu áulic lica a se $asa $asan n en dos dos prin princi cipi pios os undamentales de la 'sica/ a sa$er4
' Princi+io de Pascal: el cual e5presa 6ue la presión 6ue ejerce un luido incompresi$le en e6uili$rio dentro de un recipiente de
paredes indeorma$les se transmite con iual intensidad en todas las direcciones en todos los puntos del luido.
' Princ Princi+i i+io o de ,ernoul ,ernoulli: li: e5pone 6ue en un luido ideal 7sin viscosidad ni ro0amiento8 en r9imen de circulación por un conducto cerrado/ la ener'a 6ue posee el luido permanece constante a lo laro de su recorrido. 3a ener'a de un luido en cual6uier momento consta de tres componentes4 cin9tica 76ue es la ener'a de$ida a la velocidad 6ue posee el luido8/ potencial o ravitacional 76ue es la ener'a de$ido a la altitud del luido8/ una ener'a 6ue podr'amos llamar de :lujo: 76ue es la ener'a 6ue un luido contiene de$ido a su presión8. ;n la siuiente ecuación/ conocida como :;cuación de #ernoulli: e5presa matemáticamente este concepto4 v 2 ·ρ + P + ρ·g·z = constante constante 2
siendo/ v la velocidad velocidad del del luido en la sección considerada< ρ la densidad del luido< P es la presión del del luido a lo laro de la l'nea de lujo< g la acelaración de la ravedad< z la altura altura en la direcció dirección n de la ravedad ravedad desde desde una cota de de reerencia. 3os 3os sist sistem emas as hidr hidráu áulic licos os// o$je o$jeto to de estu estudi dio o de este este tuto tutoria rial/ l/ cons consti titu tu en una una de las las orm ormas as tecn tecnol oló óic icas as 6ue 6ue actu actual alme ment nte e empl emplea eamo mos s para para la tran transm smis isió ión n de pote potenc ncia ia en má6u má6uin inas as.. Todo sist sistem ema a hidr hidráu áuli lico co está está comp compue uest sto o de los los siu siuie ient ntes es elem elemen ento tos s principales4
- =n depósito acumulador del luido hidráulico< - =na $om$a impulsora/ 6ue aspirando el luido desde el depósito crea el lujo en el circuito hidráulico< - Válvula de control 6ue permite controlar la dirección de movimiento del luido< - *ctuador o pistón hidráulico/ 6ue puede ser de simple o do$le eecto/ siendo el elemento 6ue transmite la uer0a inal< - >ed de conductos por el 6ue circula el luido desde la $om$a hasta los actuadores retorna al depósito acumulador< - Filtros de limpie0a del luido hidráulico< - Válvula de alivio/ 6ue proporciona una salida al sistema en caso de producirse un aumento e5cesivo de la presión del luido dentro del circuito.
(*-) .enta/as e incon0enientes * continuación se e5ponen alunas ventajas e inconvenientes de los sistemas hidráulicos rente a otros sistemas convencionales de transmisión de potencia4 a8 Ventajas4
' 3os sistemas hidráulicos permiten desarrollar elevados ratios de uer0a con el empleo de sistemas mu compactos.
' )ermiten la reulación continua de las uer0as 6ue se transmiten/ no e5istiendo rieso de calentamiento por so$recaras.
' +on elementos mu le5i$les 6ue pueden adaptarse a cual6uier eometr'a/ racias a la le5i$ilidad de los conductos 6ue conducen el aceite hidráulico hasta los actuadores.
' 3os actuadores o cilindros hidráulicos son elementos reversi$les/ 6ue pueden actuar en uno u otro sentido 6ue además permiten su renada en marcha. *demás son elementos seuros/ haciendo posi$le su enclavamiento en caso de producirse una aver'a o ua del luido hidráulico.
$8 Inconvenientes4
' 3a $aja velocidad de accionamiento de los actuadores o pistones hidráulicos.
' 3a alta presión de tra$ajo e5ie la$ores de mantenimiento preventivos 7viilancia de posi$les uas en las juntas8.
' +istema no mu limpio/ de$ido a la presencia de aceites o luidos hidráulicos.
' ;n eneral/ es un sistema más caro 6ue otros/ por ejemplo los sistemas de aire comprimido.
-) Com+onentes del sistema -*() %luido 1idráulico )ara 6ue un luido pueda ser empleado como l'6uido del circuito de un sistema hidráulico/ 9ste de$erá presentar las siuientes propiedades4
' +er un luido incompresi$le para un rano amplio de presiones< ' ?recer una $uena capacidad de lu$ricación en metales omas<
' #uena viscosidad con un alto punto de e$ullición $ajo punto de conelación 7el rano de tra$ajo de$e oscilar entre -(@ºC hasta AB@ºC8<
' )resentar un punto de autoinición superior/ al menos a los 1@@ºC<
' No ser inlama$le<
' +er 6u'micamente inerte no corrosivo< ' +er un $uen disipador de calor/ al uncionar tam$i9n como rerierante del sistema<
' )resentar $uenas condiciones en cuanto a su almacenamiento manipulación.
3os luidos hidráulicos presentes en el mercado se pueden arupar/ en eneral/ en tres randes rupos4
' () %luidos sint2ticos de 3ase acuosa: son resistentes a la inlamación. * su ve0/ se su$dividen en dos tipos4 - ;mulsiones de aua aceite. ;n este tipo de luidos/ además del aceite de $ase mineral emulsiona$le se emplean aditivos 6ue le conieren propiedades antio5idantes/ antidesaste/ etc. - +oluciones de aua-licol. e0clas de "@ licol &@ aua/ más aditivos especiales.
' -) %luidos sint2ticos no acuosos: son compuestos sint9ticos oránicos 7osatos 9steres simples o clorados/ hidrocar$uros clorados silicatos 9steres8. +on caros/ pero presentan un punto de inlamación mu alto.
' 4) Aceites minerales o sint2ticos: son hidrocar$uros e5tra'dos del petróleo a los 6ue se le aDaden aditivos 6u'micos/ 6ue les coniere unas $uenas prestaciones a un coste relativamente $ajo. +on los más usados comercialmente.
3a orma de denominar a los luidos hidráulicos está reulada seEn la norma IN %1%2" %1%2%. *s'/ los luidos hidráulicos siuiendo esta normativa se denominan todos con la letra H a la 6ue se le aDaden otras letras/ para indicar el tipo de aditivos o propiedades del luido. * continuación/ se muestra la desinación de los luidos hidráulicos seEn su tipo4
' *ceites minerales o sint9ticos4 ) HH: si se trata de un aceite mineral sin aditivos< ) HL: si se trata de un aceite mineral con propiedades antio5idantes anticorrosivas<
) HP 5ó HLP6: aceite tipo ,3 con aditivos 6ue mejoran la resistencia a caras<
) H7 5ó HL76: aceite mineral tipo ,3 6ue inclue además aditivos antidesaste<
) H.: aceite tipo , 6ue además incorpora aditivos 6ue mejoran su 'ndice de viscosidad. ;n ocasiones/ a las silas anteriores se les area un nEmero 6ue indica el coeiciente de viscosidad seEn IN %1%1( 7clasiicación de viscosidad seEn I+?8. ;jemplo/ HLP 68 / 6ue indica4 H 4 se trata de aceite hidráulico< L4 con aditivos para protección anticorrosivas/ con propiedades antio5idantes< P 4 posee aditivos 6ue mejora la cara< 68 4 códio de viscosidad/ seEn IN %1%1(.
' Fluidos sint9ticos de $ase acuosa4 ) H%A: emulsión de aceite en aua 7contenido de aua4 B@-B8< ) H%,: emulsión de aua en aceite 7contenido de aua4 "@8< ) H%C: solución de polilicoles 7contenido de aua4 !%-%%8< ) H%: l'6uidos anh'dricos 7contenido de aua4 @-@/18.
' Fluidos sint9ticos no acuosos4 ) H%)!: aceite a $ase de esterosatos< ) H%)S: aceite a $ase de hidrocar$uros haloenados< ) H%)T: aceite a $ase de me0cla de los anteriores.
)or otro lado/ la propiedad 6ue más distinue un luido hidráulico de otro es la medida de su viscosidad. 3a norma IN %1%2" deine los siuientes rados para la llamada viscosidad cinemática/ seEn la ta$la siuiente4
$SO Grados de 0iscosidad
.iscosidad cinemática 5mm- 8s6 a 9 ;C 7
7á=*
I+? VG 1@
/@
11/@
I+? VG 22
1/B
2"/2
I+? VG !2
2B/B
!%/2
I+? VG "&
"1/"
%@/&
I+? VG &B
&1/2
("/B
I+) VG 1@@
@/@
11@/@
Ta$la 1. Grados de viscosidad I+? ecir 6ue la viscosidad cinemática es el cociente entre la viscosidad a$soluta la densidad del luido. ;n el +.I. su unidad es el m2 /s/ mientras 6ue en el sistema C.G.+. su unidad es el cm2 /s/ 6ue se denomina stokes 7St 8. )or otro lado/ la unidad en el +.I. de la viscosidad dinámica o a$soluta es el kg/(m·s) ó Pa·s. ;n el sistema C.G.+./ la unidad de la viscosidad a$soluta es g/(cm·s)/ 6ue se denomina poise 7P 8. 3a viscosidad del aceite lu$ricante se e5presa con un nEmero +*;/ deinido por la +ociet o *utomotive ;nineers. 3os nEmeros +*; están deinidos como4 %H/ 1@H/ 2@H/ !@H/ "@H/ etc. ;n la siuiente ta$la se indica la correlación +*;-I+?4
Ta$la 2. Correlación entre rados de viscosidad +*;-I+?
Todos los aceites lu$ricantes se adela0an cuando su temperatura aumenta por el contrario/ se espesan cuando su temperatura disminue. +i la viscosidad de un aceite lu$ricante es mu $aja/ ha$rá un e5cesivo escape por las juntas los sellos. +i la viscosidad del aceite lu$ricante es mu alta/ el aceite tiende a :pearse: se necesitará maor uer0a para $om$earlo a trav9s del sistema. +e adjunta una ta$la con los ranos permitidos de viscosidad para los luidos hidráulicos.
.iscosidad cinemática 5mm- 8s6 3'mite inerior
1@
>ano ideal de viscosidad
de 1% a 1@@
3'mite superior
(%@
Ta$la !. >ano de valores de la viscosidad cinemática
-*-) e+ósito 1idráulico ;l depósito o tam$i9n llamado tan6ue hidráulico/ cumple con varias unciones4 - *demás de servir/ como uso más inmediato/ de dispositivo por donde se reali0a el llenado vaciado de luido hidráulico/ sirve tam$i9n como depósito pulmón desde donde se reali0a la aspiración por parte de la $om$a. - +irve tam$i9n como elemento disipador de calor a trav9s de las paredes del tan6ue/ rerierando as' el aceite contenido en su interior. )ara ello/ es necesario 6ue el aceite tena un tiempo de residencia m'nimo en el interior del tan6ue de al menos 1 ó 2 minutos. *s' en unción del caudal de la $om$a/ se podr'a diseDar el volumen del tan6ue. ;n eecto/ para una $om$a con un caudal de diseDo/ por ejemplo/ de 1@ lmin/ har'a alta un tan6ue con capacidad de al menos 2@ litros. - *l servir como depósito de remanso del aceite/ se usa tam$i9n para la deposición en el ondo de part'culas contaminantes 6ue se puedan arrastrar del circuito hidráulico/ evitándose as' 6ue vuelvan a recircular. - *demás/ para aumentar el tiempo de residencia del aceite en el tan6ue/ se colocan en su interior unos delectores 6ue sirven para diriir la circulación del aceite por el interior del tan6ue. Con ello se consiue maor tiempo de estancia del aceite en el depósito/ da
luar para 6ue los contaminantes se depositen en el ondo del tan6ue/ además de avorecer la evaporación del aua 6ue pueda contener el aceite disuelto la separación del aire.
)ara un circuito hidráulico se pueden a$ricar dos tipos de tan6ues4 presuri0ados ventilados. 3os presuri0ados están sellados/ evitándose as' 6ue penetre la suciedad la humedad en su interior. 3a presión interna 6ue se enera a medida 6ue se calienta el luido hidráulico tam$i9n sirve para empujar el aceite hacia la $om$a/ evitando 6ue se produ0ca la cavitación de la misma. No o$stante/ como medida de seuridad se de$e instalar una válvula hidráulica de alivio/ 6ue se utili0a para evitar 6ue se pueda alcan0ar un e5ceso de presión a medida 6ue el aceite se calienta/ 6ue pudiera e5ceder la seuridad del tan6ue. )or otro lado/ los tan6ues ventilados/ al estar a$iertos a la atmósera/ permiten 6ue haa compensación de presión cuando se producen cam$ios en los niveles o en la temperatura del aceite/ no necesitan de válvula de alivio. +e adjunta la sim$olo'a I+? de los tan6ues hidráulicos/ seEn el tipo4
Fiura !. ;s6uema de representación de un tan6ue hidráulico
-*4) %iltros 3a iltración del luido hidráulico es necesaria para evitar 6ue la suciedad producida por el uncionamiento normal del sistema termine aectando a elementos sensi$les de la instalación/ como puedan ser/ válvulas o la propia $om$a hidráulica. ;n la siuiente ta$la se recoen los distintos rados de iltración e5iidos/ seEn la aplicación del sistema hidráulico.
Grados de %iltración> en ?m
Ti+o de Sistema Hidráulico
1-2
)ara impure0as inas en sistemas altamente sensi$les con ran ia$ilidad/ preerentemente en aviación la$oratorios.
2-%
)ara sistemas de mando control sensi$les de alta presión/ con aplicaciones recuentes en la aviación/ ro$ots industriales má6uinas herramientas.
%-1@
)ara sistemas hidráulicos de alta calidad ia$ilidad/ con previsi$le lara vida Etil de sus componentes.
1@-2@
)ara hidráulica eneral sistemas hidráulicos móviles/ 6ue manejen presiones medianas tamaDos intermedios.
1%-2%
)ara sistemas de $aja presión en la industria pesada o para sistemas de vida Etil limitada.
2@-"@
)ara sistemas de $aja presión con holuras randes. Ta$la ". Grados de iltración aplicaciones
Cual6uier iltro estará compuesto de una carcasa e5terior o envolvente/ 6ue contendrá en su interior el material iltrante. *dicionalmente/ dispondrá de una válvula de $-pass/ tipo antirretorno/ 6ue se a$rirá cuando el material iltrante est9 colmado/ de manera 6ue permita un $-pass o paso del lujo del luido hidráulico evitando as' 6ue el circuito se colpase por culpa del atasco en el iltro.
Fiura ". ;s6uema s'm$olo de iltro hidráulico =n iltro puede ocupar diversas posiciones dentro del circuito hidráulico/ oreciendo prestaciones mu diversas seEn se e5plica a continuación4
' Filtro situado en la aspiración de la $om$a4 es la mejor posición si lo 6ue se pretende es proteer a la $om$a. No o$stante/ aumenta el rieso 6ue se produ0ca cavitación en su aspiración de$ido a la p9rdida de cara 6ue se oriina en el luido por su paso por el iltro. )or ello/ si se coloca el iltro en esta posición/ 9ste de$e ser de un tipo 6ue ore0ca poca p9rdida de cara locali0ada/ como puedan ser los de tipo de mallas metálicas los iltros de supericie con huecos de tamaDo rande. ;videntemente/ esto se traduce 6ue el rado de iltración conseuida no sea mu $uena. ;l tamaDo de las part'culas iltradas colocando el iltro en esta posición son relativamente randes/ encontrándose en el rano de los %@ a 1@@ Jm.
Fiura %. Filtrado en la aspiración
' Filtro situado en el conducto de impulsión4 dada su situación/ en la salida de la $om$a/ se sitEa en la l'nea de alta presión. ;sto condiciona 6ue los iltros as' situados re6uieran de una maor ro$uste0. No o$stante/ en esta posición se consiuen iltrados más e5ientes/ estando el tamaDo de las part'culas retenidas en el rano de los 1@ a 2% Jm.
Fiura &. Filtrado en la impulsión
' Filtro en el circuito de retorno al depósito4 a dierencia de los casos anteriores/ colocando el iltro en la tu$er'a de retorno al depósito se evitan los pro$lemas de resistencia a la presión/ o los riesos de cavitación en la aspiración de la $om$a. )ara esta posición/ el tamaDo de las part'culas 6ue se consiue iltrar se encuentra entre 2% !@ Jm.
Fiura (. Filtrado en el retorno
' Filtro situado en circuito independiente4 )ara circuitos con altas e5iencias/ el iltro se puede situar en un circuito independiente 6ue tam$i9n realice la$ores de rerieración del luido hidráulico.
Fiura B. Filtrado en circuito independiente * continuación se inclue una ta$la donde se indican los rados de iltración la posición recomendada para situar el iltro/ seEn el tipo de componente o elemento hidráulico considerado.
Elemento 1idráulico
#om$a a5iales
de
Posición recomendada del @iltro
Grado de @iltración> en ?m
3'nea de retorno o l'nea de 9m$olos presión 3'nea de $aja presión
K 2% K 2%
#om$as de enranajes 3'nea de retorno 9m$olos radiales
K &!
Válvulas distri$uidoras/ de presión/ de caudal 3'nea de aspiración cierre< cilindros
K &!
otores hidráulicos
K 2%
3'nea de retorno
Ta$la %. Grados de iltración posiciones del iltro
-*9) ,om3a 1idráulica 3a $om$a hidráulica es el componente 6ue enera el l ujo dentro del circuito hidráulico/ está deinida por la capacidad de caudal 6ue es capa0 de enerar/ como ejemplo/ alones por minuto/ litros por minuto/ o cent'metros cE$icos por revolución. ,a dos randes rupos de $om$as4 rotativas alternativas. *8 #om$as rotativas4 entro de la amilia de $om$as rotativas/ se encuentran los siuientes tipos4
' ,om3as de enrana/es: 3as $om$as de enranajes son compactas/ relativamente económicas tienen pocas pie0as móviles/ lo 6ue les coniere tener un $uen rendimiento.
Fiura . #om$a de enranaje. )rincipio de uncionamiento 3a cilindrada 7V 8 de una $om$a de enranaje se o$tiene a partir de la siuiente e5presión4 L · (De2 Di 2 ) · !
V M "
siendo/ De Di los diámetros de punta de $ase del diente del enranaje ! es el ancho de la carcasa de la $om$a.
' ,om3as lo3ulares: son $astante semejantes a las de enranajes/ pero con un nEmero de dientes menor con ranos de uncionamiento menores. Normalmente se utili0an para incrementos de presiones $ajas donde puede ha$er pro$lemas de erosión en los dientes si se empleara una $om$a de enranajes.
Fiura 1@. #om$a hidráulica de tipo lo$ular
' ,om3as de +aletas: $ásicamente constan de un rotor/ paletas desli0antes una carcasa. +e dividen en dos randes tipos/ compensadas no compensadas. ;n las $om$as de paletas no compensadas cuando el rotor ira despla0a las paletas hacia uera de$ido a la uer0a centr'ua/ haciendo contacto con el anillo/ o la carcasa/ por lo 6ue se orma un sello positivo. ;l luido en este tipo de $om$as entra va llenando la porción de volumen maor 6ue se enera con el hueco dejado por el rotor descentrado dentro de la carcasa. *l irar entonces se enera una uer0a 6ue empuja el luido hacia auera. +e denominan de paletas no compensadas por6ue una mitad del mecanismo de $om$eo se encuentra a una presión inerior a la atmos9rica/ mientras 6ue la otra mitad estará sometida a la presión de tra$ajo propia del sistema.
Fiura 11. ;s6uema de una $om$a de paletas )ara e6uili$rar los esuer0os dentro de la $om$a se desarrollaron las llamadas $om$as de paletas compensadas. ;n este tipo se cam$ia la orma circular de la carcasa por otra orma eom9trica en orma de leva/ 6ue consiue e6uili$rar las presiones interiores.
#8 #om$as hidráulicas alternativas4
' ,om3as de 2m3olos o +istones: en este tipo de $om$as se convierte el movimiento iratorio de entrada de un eje en un movimiento de salida a5ial del pistón. +on un tipo de $om$as por lo eneral/ de construcción mu ro$ustas adecuadas para presiones caudales altos. +u rendimiento volum9trico tam$i9n es alto. +e pueden distinuir tres tipos de $om$as de pistones4 1. Pistones en "#nea4 tienen una construcción mu simple el rendimiento 6ue son capaces de o$tener puede llear al (.
;l cálculo de la cilindrada 7V 8 de una $om$a de pistones en l'nea se o$tiene a partir de la siuiente e5presión4 L · D2 · $ · %
V M "
siendo/ $ la carrera del pistón/ D es el diámetro de cada pistón % es el nEmero de pistones.
2. &om'as e pistones aia"es4 en este tipo se puede tam$i9n reular el caudal de cada pistón. +u cilindrada puede ser ija o varia$le/ el rendimiento puede llear a ser de un .
#om$a de pistones radiales *cceder a Catáloos de $om$as de pistones radiales ;l cálculo de la cilindrada 7V 8 de una $om$a de pistones radiales se o$tiene a partir de la siuiente e5presión4 L · e · D2 · %
V M 2
siendo/ e es la e5centricidad 7o do$le de la carrera8/ D es el diámetro de cada pistón % es el nEmero de pistones.
!. &om'as e pistones a*ia"es4 tam$i9n pueden ser de cilindrada ija o varia$le. ;n las 6ue son de caudal varia$le/ pueden autorreularse.
#om$a de pistones a5iales 3a cilindrada 7V 8 de una $om$a de pistones a5iales se o$tiene a partir de la siuiente e5presión4 L · D p2 · % · Dm · tg
V M "
siendo/ D p el diámetro de cada pistón/ % es el nEmero de pistones/ Dm el diámetro de la má6uina es el ánulo de inclinación del eje 76ue puede ser ijo si la má6uina es de eje recto/ o varia$le si se trata de una má6uina con sistema de inclinación del eje8. *cceder a Catáloos de #om$as a5iales de caudal varia$le
' ,om3as de dia@rama: en este tipo de $om$as el lujo se consiue por el empuje de unas paredes elásticas/ de mem$rana o diarama/ 6ue var'an el volumen de la cámara/ aumentándolo disminu9ndolo alternativamente.
;n la siuiente ta$la se resumen los distintos ranos de tra$ajo de alunos de los tipos de $om$as hidráulicas más empleadas4
Ta$la &. >anos de tra$ajos para las $om$as hidráulicas
-*B) Cilindro actuador ;l cilindro actuador es el elemento inal 6ue transmite la ener'a mecánica o empuje a la cara 6ue se desee mover o despla0ar. *un6ue ha actuadores de tipo rotativo/ los más conocidos son los cilindros lineales.
3os cilindros lineales pueden ser de simple o de do$le eecto. ;n los cilindros de simple eecto el aceite entra sólo por un lado del 9m$olo/ por lo 6ue sólo puede transmitir esuer0o en un sentido. ;l retroceso se consiue o $ien por el peso propio del cilindro/ $ien por la acción de un muelle o por una uer0a e5terior 7ejemplo/ la propia cara 6ue se eleva8. )or el contrario/ en los cilindros de do$le eecto/ el aceite puede entrar por los dos lados del 9m$olo/ por lo 6ue puede transmitir esuer0o en los dos sentidos del movimiento. =no de los aspectos a tener en cuenta en el diseDo de un cilindro hidráulico es cómo reali0ar el amortiuamiento o renada del movimiento del vástao/ cuando 9ste se acerca al inal de carrera/ evitando as' 6ue se produ0can impactos entre el pistón interior la tapa del cilindro. )ara ello los cilindros hidráulicos disponen de un pivote amortiuador 6ue paulatinamente reduce la salida del aceite hasta 6ue/ poco antes de llear al inal de carrera/ cierra totalmente el paso del caudal de salida del aceite/ :$passeando: el lujo mediante una válvula de estranulamiento por donde se evacua el resto del aceite. e este modo se va disminuendo proresivamente la velocidad del cilindro el pistón se consiue renar suavemente. ;ste tipo de amortiuamiento para las posiciones inales de carrera se utili0a si las velocidades del cilindro oscilan entre & mmin 2@ mmin.
Fiura 1!. *mortiuamiento del cilindro en inal de carrera
)or Eltimo/ ca$e indicar un aspecto a tener mu en cuenta en el diseDo de los cilindros hidráulicos/ en concreto/ en lo 6ue se reiere al vástao. ;n eecto/ cual6uier pie0a es$elta sometida a esuer0os de compresión/ el vástao estará sometido a este tipo de solicitación/ corre el rieso de surir el enómeno de pandeo. )ara tener en cuenta este tipo de inesta$ilidad/ el cálculo del diámetro del vástao se reali0a aplicando la Teor'a de ;uler. +eEn esta teor'a/ para un determinado diámetro 7 8 de vástao/ la uer0a má5ima 6ue puede soportar sin 6ue sura de pandeo viene dada por la siuiente e5presión4 , - M S
donde S es un actor de seuridad de valor .0 , es la cara de pandeo 7en kg 8 6ue se calcula mediante la siuiente e5presión4 1 2 · · 3 , M L2
donde/ es el módulo de elasticidad/ de valor acero<
24·45 6 kg/cm2 para el
3 es el momento de inercia de la sección trasversal del vástao/ de valor 1· 2 /6 para un vástao de sección circular de diámetro < L es la lonitud de pandeo del vástao/ 6ue depende del m9todo de sujeción empleado en su montaje. 3a lonitud de pandeo L/ en eneral no va a coincidir con la lonitud real del vástao/ sino 6ue va a depender/ como a se ha dicho de la orma en 6ue se haa reali0ado el montaje del cilindro. ;n la siuiente ta$la se indica cómo se calcula L en unción de las distintas situaciones de montaje del cilindro hidráulico.
Ta$la (. Cálculo de la lonitud li$re de pandeo/ L
-*) Tu3er
Ta$la B. Tu$os de acero sin soldadura para circuitos hidráulicos
)ara aplicaciones móviles de distancias cortas/ se suele emplear manueras le5i$les como la 6ue se muestra en la iura.
Fiura 1". anuera le5i$le para aplicaciones hidráulicas ;n el caso de manueras le5i$les/ en su cálculo ha 6ue tener en cuenta un actor de seuridad -s/ en unción de la presión de servicio o de uncionamiento a la 6ue tra$aje la manuera.
%actor de Seuridad en manueras @le=i3les> Fs Presión de ser0icio> en 3ares
Fs
e @-(@
B
e (@-1(%
&
1(%
"
Ta$la . Factor de seuridad en manueras le5i$les/ -s Pesi7n e ot9a -s M Pesi7n e -9ncionamiento
-*D) .ál0ulas 3as válvulas/ como elementos de reulación/ de control mando de la circulación del luido hidráulico por el interior del circuito/ pueden ser de diversos tipos4 válvulas controladoras de presión/ de caudal/ válvulas direccionales o distri$uidoras/ válvulas de $lo6ueo o válvulas de cierre.
' 3as válvulas de presión actEan cuando la presión del luido en el interior del circuito alcan0a un cierto valor/ llamado tam$i9n valor de tarado. +eEn su unción las válvulas de presión se clasiican en4 - Válvulas de seuridad4 este tipo de válvulas proteen al circuito de so$represiones. +on válvulas normalmente cerradas/ 6ue cuando se alcance una presión l'mite se activan descaran el luido.
Fiura 1%. )osición de Válvula de +euridad - Válvula de compensación de cara4 este tipo de válvulas se utili0an para mantener una presión m'nima auas arri$a/ evitándose as' 6ue se pueda producir un enómeno de em$alamiento por ausencia de una resistencia en el circuito/ por ejemplo/ en la $ajada de los pistones 6ue elevan la caja de cara de un camión vol6uete$asculante.
Fiura 1&. )osición de Válvula de Compensación
' Válvulas de caudal 6ue limitan el caudal má5imo 6ue circula por el circuito/ derivando el e5ceso de caudal al tan6ue de retorno.
' Válvulas direccionales 6ue distri$uen el lujo dentro del circuito hidráulico. 3as ha de varios tipos4
- Válvulas antirretorno4 6ue permiten el paso del luido en un sentido lo impiden en el contrario. - Válvulas distri$uidoras/ 6ue pueden ser correderas o rotativas. ;n las válvulas correderas las cone5iones se suelen denominar4 )/ para la l'nea de presión< T/ la de retorno a tan6ue< */#.../ las distintas l'neas a actuadores/ como se muestra en la iura siuiente.
Fiura 1(. Válvula distri$uidora de cuatro v'as dos posiciones
4) Procedimiento de cálculo 4*() Cálculo del cilindro 1idráulico Conocido el valor de la uer0a de empuje 7- e8 o elevación necesaria el tiempo 7t 8 disponi$le en reali0ar una carrera completa por parte del 9m$olo/ se emplear'an las siuientes e5presiones para calcular los parámetros eom9tricos 6ue deinen al cilindro actuador. *s'/ el valor del empuje o uer0a de elevación 7- e8 capa0 de desarrollar un cilindro hidráulico viene dado por la siuiente e5presión4 5:80 · e2 · p - e M 45
siendo/ - e/ el valor de la uer0a desarrollada por el cilindro/ en k; . e/ es el diámetro del 9m$olo 6ue discurre por el interior del cilindro/ en mm.
p es la presión de servicio a la 6ue se encuentra el aceite hidráulico en el interior del cilindro/ en 'a .
Fiura 1B. ;s6uema de un cilindro hidráulico )ara cilindros de do$le eecto/ durante la carrera de retroceso o de recoida del 9m$olo/ la uer0a 6ue puede desarrollar viene calculada por esta otra e5presión4 5:80 · ( e2 v 2 )· p - M 45
siendo/ - / el valor de la uer0a de retroceso o recoida del 9m$olo/ en k; . e/ es el diámetro del 9m$olo 6ue discurre por el interior del cilindro/ en mm. v / es el diámetro e5terior del vástao 6ue discurre por el interior del cilindro/ en mm. p es la presión de servicio a la 6ue se encuentra el aceite hidráulico en el interior del cilindro/ en 'a .
+i se denomina carrera 7L8 al recorrido completo del 9m$olo dentro del cilindro/ entonces el volumen de una carrera 7V 8/ tam$i9n conocido como cilindrada/ viene e5presada por el producto de la supericie del 9m$olo por su carrera/ es decir/ 1 · e2 V M
·L
donde/
V / es la cilindrada o volumen de una carrera/ en mm.. e/ es el diámetro del 9m$olo 6ue discurre por el interior del cilindro/ en mm. L/ es la lonitud de la carrera del vástao/ en mm.
)or otro lado/ conocida la carrera 7L8 del vástao medido el tiempo 7t 8 empleado en su recorrido/ se puede calcular la velocidad 7 v 8 con 6ue se mueve el vástao/ seEn la e5presión siuiente4 L v= 45 . · t
siendo/ v / la velocidad de salida del vástao/ en m/s. L/ es la lonitud de la carrera del vástao/ en mm. t / es el tiempo empleado en salir completamente el vástao del cilindro/ en seundos 7s8.
Conocido el volumen de la carrera 7V 8 el tiempo 7t 8 empleado en la salida del vástao/ se puede conocer el caudal 7<8 necesario para reali0ar una carrera/ como 65 · V <= 45 6 · t
donde/
< < =
siendo/ < / el caudal real de luido necesario para hacer una carrera/ en litrosminuto 7"/min8. 0 .
4*-) Cálculo de las tu3er
Como norma eneral/ el diámetro 7D8 de cual6uier tu$er'a de conducción de aceite hidráulico se eleirá tal 6ue la velocidad 7 v 8 del luido por su interior se mantena dentro de un rano de velocidades. ;n la práctica se aplican los siuientes valores estándar de velocidad en los conductos4
' Tu$er'as de impulsión4 - hasta %@ $ar de presión de tra$ajo4 5 m/s< - hasta 1@@ $ar de presión de tra$ajo4 0 m/s< - hasta 1%@ $ar de presión de tra$ajo4 05 m/s< - hasta 2@@ $ar de presión de tra$ajo4 00 m/s< - hasta !@@ $ar de presión de tra$ajo4 65 m/s.
' Tu$er'as de aspiración4 40 m/s< ' Tu$er'a de retorno4 25 m/s.
=na ve0 seleccionado un diámetro 7D8 para la tu$er'a/ se sustitue en la e5presión anterior se recalcula el valor de la velocidad 7v 8 o$tenida/ compro$ándose 6ue se mantiene dentro del anterior rano recomendado de velocidades. ;s/ por tanto/ un proceso iterativo. =na ve0 seleccionado el diámetro 7D8 de la tu$er'a calculada la velocidad 7v 8 de circulación del luido hidráulico/ es necesario conocer la p9rdida de cara 6ue se produce por el interior de la tu$er'a. ;l cálculo de la p9rdida de cara o de presión 7O p8 oriinado en los tramos de tu$er'as es inmediato ácil de reali0ar. ;n eecto/ en un tramo de tu$er'a de una lonitud considerada :L:/ el cálculo de las p9rdidas de cara oriinadas se puede o$tener aplicando la ecuación de arc)Feis3ac1/ mediante la siuiente e5presión4
donde/ O p es el valor de la p9rdida de cara o de presión medida seEn la altura manom9trica e5presada en metros de columna de aua 7m?c?a?8 L es la lonitud del tramo considerado de tu$er'a 7m8
D es el diámetro interior de la tu$er'a 7m8 v es la velocidad del luido hidráulico por el interior de la tu$er'a 7m/s8 g es la acelaración de la ravedad 7>84 m/s2 8 @ es el es el actor de ricción de arc-Heis$ach. e la anterior e5presión todos los parámetros son conocidos salvo el actor de ricción 7@ 8. ;l actor de ricción 7@ 8/ es un parámetro adimensional 6ue depende del nEmero de >enolds 7 e8 del luido hidráulico empleado de la ruosidad relativa de la tu$er'a 7A 8 @ = @ ( e A ) donde el nEmero de >enolds 7 e8 viene e5presado por la siuiente ormulación4 ρ · v · D e M B
siendo/ ρ la densidad del aceite o luido hidráulico 7kg/m.8 v es la velocidad del luido por el interior de la tu$er'a 7m/s8 D es el diámetro interior de la tu$er'a 7m8 B es viscosidad dinámica del aceite o luido hidráulico 7kg/m·s8 )or otro lado/ la ruosidad relativa de la tu$er'a 7A 8 viene dada en unción de la ruosidad a$soluta 7A 8 del material del 6ue está a$ricada la tu$er'a de su diámetro interior 7D8 de acuerdo a la siuiente e5presión4 A A M D
;n la siuiente ta$la se muestran los valores de ruosidad a$soluta para distintos materiales4
!"GOS$A A,SOL"TA E 7ATE!$ALES
7aterial
ε 5mm6
7aterial
ε 5mm6
)lástico 7);/ )VC8
@/@@1%
Fundición asaltada
@/@&-@/1B
)oli9ster reor0ado con i$ra de vidrio
@/@1
Fundición
@/12-@/&@
Tu$os estirados de acero
@/@@2"
*cero comercial soldado
@/@!-@/@
Tu$os de latón o co$re
@/@@1%
,ierro orjado
@/@!-@/@
Fundición revestida de cemento
@/@@2"
,ierro alvani0ado
@/@&-@/2"
Fundición con revestimiento $ituminoso
@/@@2"
adera
@/1B-@/@
Fundición centriuada
@/@@!
,ormión
@/!-!/@
Ta$la 1@. >uosidades a$solutas de materiales ;l nEmero de >enolds 7 e8 representa la relación entre las uer0as de inercia las viscosas en la tu$er'a. Cuando las uer0as predominantes son las viscosas 7ocurre para e con valores $ajos8/ el luido discurre de orma laminar por la tu$er'a la importancia de la ruosidad en la p9rdida de cara es menor 6ue las de$ida al propio comportamiento viscoso del luido. )or otro lado/ en r9imen tur$ulento 7 e rande8/ las uer0as de inercia predominan so$re las viscosas la inluencia de la ruosidad se hace más patente. 3os valores de transición entre r9imen laminar tur$ulento se encuentra con el nEmero de >enolds en la ranja de 2@@@ a "@@@. ;s decir/ en unción del valor del nEmero de >enolds se tiene 6ue4
' e P 2@@@4 >9imen laminar. ' 2@@@ P e P "@@@4 Qona cr'tica o de transición. ' e "@@@4 >9imen tur$ulento. Conocer si el lujo 6ue circula por una tu$er'a se encuentra en el r9imen laminar o tur$ulento es importante por6ue marca la manera de calcular el actor de ricción 7@ 8. ;n eecto/ el actor de ricción 7@ 8 para valores del nEmero de >enolds por de$ajo del l'mite tur$ulento/ es decir/ en r9imen laminar/ se puede calcular aplicando la órmula de )oiseuille4
6
@ M e
e5presión 6ue resulta sencilla de aplicar para calcular el actor de ricción 7@ 8 conocido el >enolds 7 e8. )ara la otra situación/ es decir/ 6ue nos encontremos en r9imen tur$ulento/ el cálculo para conocer el actor de ricción 78 a nos es tan inmediato/ depende tanto del nEmero de >enolds como de la ruosidad relativa de la tu$er'a. ;n este caso e5isten diversas ormulaciones 6ue pueden ser utili0adas para el cálculo del actor de ricción4
;cuación de Cole$rooR-Hhite
S otras como la ecuación de #arr/ la ecuación de iller o la ecuación de ,aaland.
No o$stante/ aortunadamente además de estas e5presiones e5isten representaciones ráicas á$acos emp'ricos 6ue nos permiten calcular cómodamente el actor de ricción 7@ 8. =no de ellos es el iarama de 7ood 6ue es la representación ráica en escala do$lemente loar'tmica del actor de ricción 7@ 8 en unción del nEmero de >enolds 7 e8 de la ruosidad relativa de la tu$er'a 7A/D8/ seEn se representa en la siuiente iura4
Fiura 1. iarama de ood )or otro lado/ para evaluar las p9rdidas locales 6ue se oriinan en válvulas u otros elementos intercalados en la instalación 7codos/ derivaciones en T/ $iurcaciones/ reducciones...8 se pueden calcular a partir de ormulaciones emp'ricas/ como la mostrada en la e5presión siuiente4 v 2
O p M , 2 · g
o $ien/ 8 · <2
O p M , 1 2 · g · D
donde el coeiciente adimensional , / 6ue mide la ca'da de presión se mide e5perimentalmente depende del diseDo del a$ricante. ;n la siuiente ta$la se dan alunos valores orientativos4
.ál0ulas 5a3iertas6 e $ola
Coe@* de +2rdida> K , = 54
Compuerta
, = 54 5.
*nti-retorno
, = 45
e asiento estándar. *siento de undición
, = 5 455
e asiento estándar. *siento de orja 7pe6ueDa8
, = 05 4.5
e asiento a "%º. *siento de undición
, = 45 .5
e asiento en ánulo. *siento de undición
, = 25 05
e asiento en ánulo. *siento de orja 7pe6ueDa8
, = 40 .5
ariposa
, = 52 40
iarama
, = 25 .0
e macho o tapón. >ectanular
, = 5. 50
e macho o tapón. Circular
, = 52 5.
Otros elementos
Coe@* de +2rdida> K
Codos a @º
, = 52
erivación
, = 5.
Ta$la 11. Coeicientes de p9rdida de cara/ , )ara el cálculo de los coeicientes de p9rdidas de cara en válvulas parcialmente a$iertas respecto al valor del coeiciente en apertura total/ se pueden tomar los valores de esta otra ta$la4
Cociente K(parcial)/K 5a3ierta6 Situación
Com+uerta
Es@era
7ari+osa
*$ierta
45
45
45
Cerrada 2%
.5 05
40 25
25 405
%@
42 22
25 .5
8 65
(%
:5 425
65 85
0 .5
Ta$la 12. Coeicientes de p9rdida de cara en válvulas parcialmente a$iertas
=na ve0 calculada las p9rdidas de caras locali0adas en cada elemento/ codo o válvula del mismo ramal/ se suman todas ellas se area a la p9rdida de cara calculada en el tramo recto del tu$o/ o$teni9ndose as' la p9rdida de cara total por ro0amiento en la tu$er'a.
ANEXOS
A*() S
A*-) Codi@icación de Cilindros Hidráulicos
