ÁQUIN AS HID ÁULIC S
EL SISTEMA HI RÁU ICO EL A IÓN
Contenido .....................................................................................................3 3 1 . - I N T RO RO D UC U CCI Ó N .....................................................................................................
1.1- SISTEMAS DE CONTROL DE VUELO ................................................................ ................................................................6 6 ........................................................................................7 7 1.2- SISTEMAS GENERALES ........................................................................................ 2.- CLASI LASI FI CACI ACI ÓN DE LOS SI STE STEMAS HI DRÁULI DRÁULI COS .............................. 8 3.- COMPONENTES OMPONENTES DE LOS LOS SI SI STEMAS STEMAS HI DRÁULI COS .............................. 10
3.1. Fluidos hidráulicos .................................................................................................. ..................................................................................................10 10 3.2. Depósitos hidráulicos .............................................................................................16 .............................................................................................16 2.3. Bombas hidráulicas................................................................................................. .................................................................................................22 22 3.4. Válvulas hidráulicas ................................................................................................ ................................................................................................34 34 ..........................................................................................41 41 3.5. Actuadores hidráulicos .......................................................................................... ...................................................................................................47 47 4.- CONCLUSI ONCLUSI ONES ................................................................................................... ............................................................................................................48 48 BI BL LII O GR GR A FÍ FÍ A ............................................................................................................
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Contenido .....................................................................................................3 3 1 . - I N T RO RO D UC U CCI Ó N .....................................................................................................
1.1- SISTEMAS DE CONTROL DE VUELO ................................................................ ................................................................6 6 ........................................................................................7 7 1.2- SISTEMAS GENERALES ........................................................................................ 2.- CLASI LASI FI CACI ACI ÓN DE LOS SI STE STEMAS HI DRÁULI DRÁULI COS .............................. 8 3.- COMPONENTES OMPONENTES DE LOS LOS SI SI STEMAS STEMAS HI DRÁULI COS .............................. 10
3.1. Fluidos hidráulicos .................................................................................................. ..................................................................................................10 10 3.2. Depósitos hidráulicos .............................................................................................16 .............................................................................................16 2.3. Bombas hidráulicas................................................................................................. .................................................................................................22 22 3.4. Válvulas hidráulicas ................................................................................................ ................................................................................................34 34 ..........................................................................................41 41 3.5. Actuadores hidráulicos .......................................................................................... ...................................................................................................47 47 4.- CONCLUSI ONCLUSI ONES ................................................................................................... ............................................................................................................48 48 BI BL LII O GR GR A FÍ FÍ A ............................................................................................................
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1.‐ 1.‐ INTRODUCCIÓN Los primeros sistemas hidráulicos se introdujeron en el avión a comienzos de los años 30 con la aparición de las primeras hélices de paso variable en 1933, en el Boeing B-247D, que permitieron reducir la carrera de despegue y aumentar la velocidad de ascenso y de crucero. En 1936 American Airlines empezó a operar con DC-3, el primer avión que permitió a las aerolíneas ganar dinero con el transporte de pasajeros y que incluía trenes replegables r eplegables mediante un sistema hidráulico, lo que liberó a los pilotos de tener que hacerlo de forma manual durante el despegue y aterrizaje. Desde entonces el papel de los sistemas hidráulicos en el avión ha sido creciente, incrementándose también de forma notable la potencia demandada por ellos. Desde el primer momento la potencia hidráulica se percibió como un sistema eficaz para convertir las pequeñas, y de baja energía, demandas del piloto en los mandos de vuelo en desplazamientos de alta energía en las superficies de control del avión (DC-4). La introducción de mandos de vuelo asistidos fue una aplicación inmediata de la energía hidráulica en aviones cada vez más rápidos y con mayores demandas de maniobrabilidad. Esta aplicación convirtió los sistemas hidráulicos en elementos críticos desde el punto de seguridad del avión, donde la posibilidad de fallos simples no podía comprometer el gobierno de la aeronave. Los sistemas hidráulicos evolucionaron incorporando bombas y actuadores múltiples, así como acumuladores, como una solución para aumentar las fiabilidad de estos sistemas. Los sistemas hidráulicos son todavía hoy el medio más efectivo para transmitir potencia a los mandos primarios y secundarios de vuelo, trenes de aterrizaje, frenos, puertas y rampas. No obstante existen esfuerzos importantes hoy en día para remplazar el uso de sistemas hidráulicos mediante sistemas eléctricos en algunas áreas. A pesar de todo, los sistemas hidráulicos han mantenido su posición de dominancia debido fundamentalmente a su bajo peso por unidad de potencia. Incluso con el uso de materiales magnéticos basados en tierras raras, la relación potencial peso de los sistemas hidráulicos es significativamente mayor que la de los eléctricos, especialmente para potencias por encima de los 3 kW. Los principales requerimientos para el desempeño de las misiones encomendadas a cualquier sistema embarcado son bajo peso, bajo volumen, bajo coste de adquisición, alta fiabilidad y bajo mantenimiento. Los sistemas hidráulicos satisfacen todos estos requerimientos y además poseen atractivos adicionales. El pequeño tamaño de los tubos y su flexibilidad hacen que sean fáciles de instalar. El uso de aceite como fluido de trabajo proporciona la
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lubricación necesaria y las sobrecargas del sistema pueden absorberse sin daño. Dentro de los límites de la integridad estructural de un actuador, su carga máxima puede superarse, moverse en dirección contraria, y recuperar su funcionalidad cuando la sobrecarga desaparece. Muchos ingenieros consideran que estas características hacen a los sistemas hidráulicos más robustos y atractivos que los correspondientes sistemas eléctricos, aunque esto es hoy en día tema de debate.
Figura 1: Componentes del sistema hidráulico en un avión comercial
Las funciones básicas de los sistemas hidráulicos en los aviones consisten por lo tanto en el suministro, la aplicación y el control de la potencia mecánica en aquellos puntos o equipos en que es necesaria y en el momento adecuado. En la figura 2, podemos ver un esquema general de un sistema hidráulico, donde la potencia de entrada, procedente de una fuente de alimentación cualquiera, se transmite mecánicamente a través de un eje a una bomba que es la que genera la potencia hidráulica en el sistema. Las válvulas se utilizan para transmitir la potencia necesaria a los actuadores, que nos darán una salida mecánica controlada, generalmente como una fuerza aplicada a una velocidad determinada o como un momento y su velocidad de rotación correspondiente.
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Estas válvulas controlan también la dirección del movimiento, la velocidad y la fuerza máxima que se puede aplicar en los actuadores. La señal para iniciar la acción y controlar esta velocidad puede transmitirse de forma mecánica, eléctrica ó neumática. La combinación de las propiedades de la hidráulica y de las señales eléctricas de baja potencia para controlar la potencia transmitida por el fluido, constituye el sistema de peso mínimo más versátil disponible en este momento La utilización de ordenadores en el sistema permite obtener una gran precisión de control. Los fluidos hidráulicos que se utilizan para la transmisión de potencia suelen ser de diferentes tipos, por ejemplo hidrocarburos, caracterizándose todos ellos por su gran estabilidad química. Los conductos que forman el sistema hidráulico le dan a éste una flexibilidad que no tienen, por ejemplo, los sistemas de transmisión mecánica. Igualmente el factor multiplicador de la fuerza en estos sistemas es mayor que el que se obtiene en los sistemas eléctricos, siendo su orden de magnitud alrededor de diez. Los principales inconvenientes de los sistemas hidráulicos están ligados al fallo de sus componentes y a las perdidas del fluido hidráulico y, puesto que se utilizan altas presiones, las holguras entre las partes móviles son críticas, así como el mantenimiento de las características del fluido hidráulico. Las condiciones de sellado, en general, entre superficies móviles como la del pistón y el cilindro, son una de las características más exigentes de diseño. Actualmente los sellados son capaces de soportar diferencias de presión del orden de 400 bar, e igualmente se es capaz de obtener las terminaciones superficiales necesarias en las componentes metálicas.
La eficacia de los sistemas hidráulicos es muy elevada en el intervalo de potencia medio y alto (kW), pero para aplicaciones de potencia pequeña, del orden de 1 kW o menor, su rendimiento es inferior al de los sistemas eléctricos disponibles actualmente. Aunque se podría pensar en el uso de sistemas neumáticos, debido al fluido que utilizan de peso mínimo, así como a su capacidad de producción masiva y bajo coste que excede en muchos órdenes de magnitud a la de los equipos hidráulicos usados en todo el mundo, sin embargo, la necesidad de aplicar una potencia varias veces mayor que la disponible en los equipos neumáticos que normalmente operan en las aeronaves, alrededor de los 5-8 bar, obliga a centrarse únicamente en los sistemas y equipos hidráulicos.
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Figura 2: Esquema simplificado del sistema hidráulico de un avión
1.1- SISTEMAS DE CONTROL DE VUELO Sabemos que un avión debe de controlarse respecto a sus ejes de cabeceo, alabeo y guiñada, así como tener en cuenta el caso particular de control en los despegues y aterrizajes verticales. Estas maniobras se realizan deflectando las superficies de control, es decir, los alerones o los timones de profundidad o de dirección. Igualmente se debe de considerar el control del denominado empuje vectorizado o el movimiento de las alas en los aviones de geometría variable. La aplicación de los sistemas de potencia hidráulicos de alta presión es la mejor solución en todos estos casos, donde es necesario apIicar una potencia grande en determinados puntos y en momentos concretos. Inicialmente, cuando las potencias necesarias eran pequeñas, tanto la palanca de mando del piloto como el control del timón de dirección estaban acoplados directamente a las superficies de control por medio de sistemas mecánicos, es decir, mediante varillas, cables y otros tipos de mecanismos.
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Al aumentar los niveles de potencia necesarios para actuar sobre las superficies de control fue necesario utilizar sistemas hidráulicos que suministraran la fuerza necesaria en dichas superficies. Los sistemas hidráulicos de alta presión suministran la potencia a los actuadores que la transforman en movimiento mecánico. Las señales para el control de las válvulas de los actuadores eran inicialmente transmitidas de forma mecánica, habiéndose sustituido actualmente dicha transmisión por señales eléctricas con niveles de potencia inferiores a los 100 W. En la figura 3 podemos ver las superficies de control de un avión Boeing 767, asociadas al sistema de control de vuelo primario y secundario.
Figura 3. Superficies de control de una aeronave.
1.2- SISTEMAS GENERALES En el avión existen otros sistemas que también necesitan una cierta potencia para realizar otras funciones que son necesarias pocas veces en vuelo, o en determinados momentos como en el despegue y el aterrizaje. Así tenemos el sistema de apertura de las puertas de carga, el sistema de extensión y retracción del tren de aterrizaje, el sistema de frenos, el sistema de
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extensión de los flaps, el sistema de reavituallamiento en vuelo, el sistema de plegado de las alas en los aviones embarcados, entre otros muchos. Los sistemas hidráulicos de alta presión que se utilizan en estos casos, debido a su alta relación de potencia/peso, reciben el nombre de sistemas hidráulicos generales o de utilidad del avión. La importancia de los sistemas del avión, tanto los de control de vuelo como los generales, hace que los sistemas de potencia estén duplicados y en algunos casos incluso triplicados para evitar el fallo de cualquiera de ellos. Sin embargo, los actuadores correspondientes a los sistemas hidráulicos generales no están duplicados puesto que se consideran como cualquier otro elemento de la estructura del avión, mientras que los actuadores del sistema de control de vuelo primario si están duplicados. La complejidad de los sistemas de una aeronave y la exigencia de sus especificaciones, es lo que hace que el diseño de los sistemas hidráulicos de los aviones y de sus componentes produzca un incremento en los costes respecto a los sistemas hidráulicos de uso industrial.
2.‐ CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS HIDRÁULICOS Los sistemas hidráulicos constan básicamente, como hemos visto en los apartados anteriores, de dos grandes conjuntos denominados la potencia hidráulica y la unidad de actuación. La unidad de potencia hidráulica comprende los siguientes elementos del sistema hidráulico: el depósito, las bombas y las válvulas en sentido general, es decir, es la parte que se encarga de la generación, distribución y control de la presión hidráulica. La unidad de actuación incluye los elementos que transmiten y transforman la energía hidráulica en mecánica para realizar el trabajo necesario.
Los sistemas hidráulicos se pueden clasificar en sistemas abiertos y cerrados según las características de su unidad de potencia: •
En los sistemas abiertos, la presión operativa tiene un valor muy pequeño mientras el sistema permanece en reposo; en cambio, en los sistemas cerrados se mantiene la presión operativa de forma permanente.
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Los sistemas abiertos, por tanto, exigen unas condiciones de trabajo mínimas a las bombas del sistema, sin embargo, por sus condiciones de diseño sólo pueden actuar sobre un único actuador cada vez. Los sistemas cerrados permiten actuar a la vez sobre varios actuadores al mantener la presión operativa de manera permanente, así como dar una respuesta mucho más rápida a las solicitudes de carga que aparezcan en el sistema. En estos sistemas cerrados es necesario, igual que en los sistemas abiertos, no producir una sobrecarga de la bomba, por ello se suelen utilizar bombas de desplazamiento variable que permiten variar el caudal de acuerdo con las necesidades del sistema.
Figura 4. Esquema de un sistema hidráulico abierto.
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En la figura 4 podemos ver un esquema de un sistema hidráulico abierto, así como la disposición de sus válvulas que garantiza su funcionamiento en vacío y con carga y, en la figura 5, un sistema hidráulico cerrado con la disposición de varios actuadores.
Figura 5. Esquema de un sistema hidráulico cerrado.
El sistema hidráulico de una aeronave generalmente consta de varios subsistemas, de los cuales unos pueden ser abiertos y otros cerrados dependiendo de !a posición de os actuadores correspondientes. Los denominados sistemas hidráulicos modulares se pueden clasificar, igualmente, en abiertos y cerrados, puesto que no afecta a la distinción entre las unidades de potencia y actuadora, sino únicamente a la colocación de los equipos del sistema.
3.‐ COMPONENTES DE LOS SISTEMAS HIDRÁULICOS 3.1. Fluidos hidráulicos En los sistemas hidráulicos el fluido hidráulico es el encargado de transmitir la presión a lo largo del circuito hasta los actuadores, así como desempeñar otras funciones diferentes, lo que ha hecho que se hayan desarrollado fluidos hidráulicos con propiedades especiales. Página 10
Su capacidad de lubricación y de sellado se utiliza en las partes móviles de las válvulas para reducir la fricción entre sus superficies, evitando el contacto entre los elementos metálicos, así como para sellar sus holguras. Igualmente el fluido hidráulico debe de ser capaz de transportar el calor generado por el trabajo del sistema, lo que da lugar a un incremento de su temperatura que no debe de afectar al comportamiento del fluido hidráulico. Los fluidos hidráulicos pueden dar lugar al deterioro de las componentes del sistema debido a sus caracteristicas quimicas, siendo necesario algunas veces incluso utilizar pinturas de protección en los depósitos del sistema, por todo ello la elección del fluido hidráulico debe de ser compatible con el resto de los elementos del sistema hidráulico. La oxidación y la corrosión del fluido hidráulico cambian las características del mismo fluido produciendo sedimentos que varían las cóndiciones del circuito por lo que el fluido hidráulico debe de ser químicamente estable. Las propiedades de los fluidos hidráulicos con respecto a su inflamabilidad son muy importantes, no solo para tener en cuenta la temperatura operativa del sistema, sino también por la probabilidad de perdidas del fluido que puedan dar lugar a su inflamación. La resistencia que presenta el fluido hidráulico a su movimiento en los conductos del sistema es otra de las caracteristicas importantes a tener en cuenta al estar directamente relacionada con su viscosidad y la temperatura de funcionamiento del sistema hidráulico. A continuación veremos algunas de las características más importantes de los fluidos hidráulicos así como su medida y clasificación para realizar la selección más adecuada para el correcto funcionamiento del sistema hidráulico.
CARACTERÍSTICAS DE LOS FLUIDOS HIDRÁULICOS
La densidad de un fluido hidráulico viene dada por el fabricante con respecto al mismo volumen de agua y a la misma temperatura, así como su variación con la presión y la temperatura, como podemos ver en la figura 5. La viscosidad es una de las propiedades más importantes del fluido hidráulico que puede medirse como viscosidad absoluta o dinámica, μ, o como viscosidad cinemática, ν, dadas por la relación:
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En los sistemas hidráulicos la viscosidad cinemática se expresa en mm 2/s, mientras que la viscosidad dinámica se dá en poise o centipoise.
Figura 5. Curvas de variación de la viscosidad con la temperatura y la presión
La viscosidad también varía con la presión, por lo hay que tener en cuenta dicha variaci6n cuando las presiones del sistema hidráulico alcanzan valores elevados. En la figura 5 vemos las curvas de variación con la temperatura y la presión de algunos líquidos hidráulicos típicos, con diferentes índices de viscosidad en el primer caso. El índice de desemulsión caracteriza la facilidad de un aceite para separarse del agua que pudiera contener; para medirlo se utilizan diversos métodos, entre ellos destacan el denominado de Herschel y el de la A.S.T.M. El poder anti-espumante nos indica la facilidad con que un fluido se separa del aceite que contiene. Todos los aceites contienen un 10 % en volumen de aire disuelto, siendo su solubilidad proporcional a la presión a que se encuentra sometido. Para realizar su medida se utiliza una muestra de aceite que puesta al baño maría a una temperatura determinada se le insufla aire durante 5 minutos y a continuación se mide el volumen de espuma, se esperan 10 minutos y se vuelve a medir el volumen de espuma, su relación nos da el poder antiespumante del aceite.
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Otra característica muy importante es el denominado punto de coagulación o congelación, que se puede definir como aquella temperatura a la que el fluido hidráulico deja de fluir. Existen básicamente dos métodos para realizar la medida de este punto, uno por descenso de temperatura y otro por calentamiento progresivo después de la congelación. Por último los llamados puntos de inflamación y de encendido relacionados con su resistencia al fuego, se definen como las temperaturas a que se produce el encendido esporádico o permanente de los gases del fluido hidráulico.
De manera más precisa definiremos el punto de inflamación (flash point) como la temperatura a la que se genera el gas suficiente para producir una llama solo cuando se acerca un elemento de ignición, desapareciendo dicha llama cuando se retira el elemento de ignición. Punto de encendido (fire point) es la temperatura a la que el gas generado por el fluido hidráulico permite mantener una llama una vez se ha producido su ignición, independientemente del elemento que la ha producido.
CLASIFICACIÓN DE LOS FLUIDOS HIDRÁULICOS. Los distintos tipos de fluidos hidráulicos se han clasificado de acuerdo con su composición y sus propiedades. En la tabla 1 tenemos la clasificación correspondiente a la norma lSO 6743 y en la tabla 2 vemos las características de algunos fluidos hidráulicos.
La clasificación tradicional ha sido agruparlos, según su origen, en fluidos hidráulicos de origen vegetal, de origen mineral y sintéticos, de acuerdo con la normativa militar MIL. Los fluidos hidráulicos de origen vegetal se caracterizan por su color azul o incoloro, estando formados por una mezcla de aceite de castor y alcohol con una compresibilidad muy pequeña, sin embargo, presentan problemas de inflamabilidad debido a su contenido de alcohol. Los fluidos hidráulicos de origen mineral son actualmente los más empleados, caracterizándose por su color rojo. Están disponibles con distintos grados de viscosidad y con temperaturas de funcionamiento razonables, del orden de los 40C, en las que son químicamente estables, estando el intervalo de temperatura admisible comprendido entre -54C a +135C. Sus mayores problemas son debidos a las características de inflamabilidad que presentan así como su incremento de la viscosidad con la presión, lo que limita su uso hasta presiones de trabajo del orden de los 1000 bares.
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Los fluidos hidráulicos de tipo sintético son compuestos químicos del tipo de los esteres fosfatos que se pueden utilizar a altas temperaturas debido a su alto punto de inflamación. Se caracterizan también por su alta densidad lo que hace que no funcionen bien con temperaturas bajas y, por tanto sea necesario calentar el depósito del líquido hidráulico hasta que alcance su temperatura de funcionamiento.
Tabla 1. CLASIFICACIÓN DE LOS FLUIDOS HIDRÁULICOS SEGUN LA NORMA 150 6743
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Tabla 2. Características de algunos fluidos hidráulicos
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3.2. Depósitos hidráulicos Los depósitos hidráulicos dentro del sistema hidráulico, es una de las partes más triviales del sistema, sin embargo su diseño y mantenimiento tienen una gran importancia en su funcionamiento. FUNCIONES: Las funciones más importantes de los depósitos hidráulicos dentro del sistema son:
El almacenamiento del fluido hidráulico del sistema La compensación de las fugas del fluido hidráulico en el sistema Actuar como regulador térmico Completar las funciones del filtrado
Los depósitos se pueden clasificar según se utilice o no la presión ambiente para llevar el fluido hidráulico del depósito a la bomba del sistema. Cuando el valor de la presión es inferior a un valor determinado pueden aparecer burbujas de aire que se transmiten a los conductos del sistema, lo que hace aconsejable el uso de los depósitos presurizados. Los sistemas de presurización que se emplean en los depósitos hidráulicos en los aviones son básicamente tres: -
De efecto venturi De aire a presión De émbolo
CAPACIDAD DE LOS DEPOSITOS HIDRAULICOS: La determinación de la capacidad del depósito depende de la instalación hidráulica, así como de la temperatura y de la posición en que se encuentren los actuadores. El volumen mínimo se obtendrá a la temperatura mínima y con los actuadores extendidos, y el máximo a la temperatura máxima y con los actuadores retraídos. El volumen que se toma normalmente para su diseño es el correspondiente a tres o cuatro veces el caudal de la bomba por minuto.
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El nivel del fluido hidráulico es uno de los factores, críticos en los depósitos del sistema hidráulico puesto que si dicho nivel es muy bajo puede dar lugar a la formación de torbellinos que afectarán al funcionamiento de la bomba, y en general al funcionamiento del sistema. La variación del volumen del líquido debido a la variación de temperatura obliga a tener en cuenta en su diseño un espacio suplementario para este volumen, así como para prevenir la formación de espuma en su superficie. ELEMENTOS DE LOS DEPOSITOS HIDRAULICOS Los depósitos hidráulicos deben de poseer los siguientes elementos:
Orificio de llenado con filtro Varilla de nivel o un elemento medidor adecuado Separador entre los orificios de alimentación y de retorno Captador magnético en la zona donde se depositan la impurezas
ORIFICIO DE ALIMENTACIÓN Y SALIDA: deben de estar lo más separados posibles. El conducto de retorno debe de colocarse por debajo del nivel del fluido para evitar los fenómenos de emulsión y de cavitación. ELEMENTO MEDIDOR DEL NIVEL DE FLUIDO HIDRAULICO: en el depósito es fundamental para realizar su mantenimiento puesto las pérdidas deben de controlarse para evitar alcanzar los valores mínimos de volumen del fluido hidráulico. PLACA SEPARADORA O DEFLECTORA DEL DEPÓSITO: permite conseguir el máximo enfriamiento del fluido hidráulico, al obligarlo a seguir las paredes del depósito desde la entrada de la línea de retorno y la línea de alimentación a la bomba. Esta placa también favorece el escape de las burbujas de aire atrapadas por el fluido hidráulico, así como la sedimentación de los elementos contaminantes que arrastre procedentes del sistema hidráulico. CONTROL DE TEMPERATURA: el control de la temperatura del fluido hidráulico en el depósito se realiza mediante un termómetro o un interruptor eléctrico de sobretemperatura, puesto que su intervalo teórico está alrededor de los 45‐50 C y es difícil de bajar la temperatura a partir de dicho nivel. En el caso de sistemas hidráulicos de uso intermitente o que arranquen en frío, puede ser necesario introducir calentadores eléctricos para mantener la temperatura optima del sistema en sus periodos de inactividad.
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En
l siguiente esquema se pueden ver los principales
lementos de un de ósito
hidr ulico.
Esquema de los elem ntos principales de u depósito hidráulico.
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SISTEMA DE FILTROS Los filtros en los sistemas hidráulicos se encargan de absorber las partículas contaminantes que pueden afectar a diversos elementos del sistema, produciendo su fallo y desgaste prematuro. Los filtros se pueden clasificar: -
De flujo total De flujo Proporcional
DE FLUJO TOTAL: el flujo del sistema pasa a través del filtro, como se ve en la figura siguiente. Dando lugar a una caída de presión grande aunque su rendimiento respecto al filtrado es muy alto. La caída de presión en este tipo de filtros aumenta conforme se incrementa el número contaminantes retenidos, lo que aconseja el uso de una válvula de alivio como elemento de seguridad. Los filtros de FLUJO PROPORCIONAL: solo filtran una parte del flujo principal, en la figura vemos un filtro de este tipo, en que el flujo principal pasa a través de un venturi que crea una depresión que arrastra a parte del fluido hidráulico hacia el filtro. La principal característica de este tipo de filtros es producir una caída de presión pequeña, lo que da lugar a que no sea necesaria la protección de una válvula de alivio como en el caso anterior.
Filtro de flujo total
Filtro de flujo proporcional
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MATERIAL DEL FILTRO: El material que se utilizan en los filtros puede ser mecánico o absorbente. Mecánico: son filtros relativamente gruesos que suelen utilizar mallas de alambre o filtros de discos. Absorbentes: son de material poroso como papel, celulosa etc, cuyo poder de filtración depende del tamaño de los poros. RENDIMIENTO DEL FILTRADO: El rendimiento del filtrado para un tamaño de partículas determinado, se define de acuerdo con unos ensayos que establecen el tanto por ciento de partículas que retiene el filtro que se ensaya. Cuando la retención es del 95% de las partículas de tamaño superior a uno determinado de x micras, se dice que dicho filtro tiene un rendimiento nominal de x micras, cuando la retención es del 100 % entonces se dice que el rendimiento es absoluto. LA POSICIÓN DEL LOS FILTROS: La posición de los filtros en el sistema hidráulico se realiza básicamente en tres puntos: Antes de la bomba hidráulica Después de la bomba hidráulica En el conducto de retorno al depósito. En la figura siguiente se puede ver cada una de las posiciones descriptas. -
Antes de la bomba hidráulica: denominados filtros de alimentación, se diseñan para producir una caída de presión pequeña, de manera que la bomba pueda tomar el fluído hidráulico del depósito, sin embargo una caída de presión péquela significa utilizar filtros gruesos. Filtros después de la bomba hidráulica, reciben el nombre de filtros de presión, puesto que deben ser capaces de resistir toda la presión operativa del sistema, este método asegura la protección de las válvulas y de los actuadores del sistema, lo que permite reducir su tamaño y por lo tanto su peso. Los filtros colocados en el conducto de retorno del fluido hidráulico al depósito pueden tener unas caídas de presión relativamente elevadas y por lo tanto ser muy finos, soportando solo bajas presiones y a la vez aseguran la protección de las bombas al limitar el tamaño de las partículas que vuelven al depósito.
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La s lección de los filtros decuado para el sist ma hidráulico depen erá del ca dal y de la viscosid d
del fluido hidr ulico, de la variaci n de la
emperatura de
funcionamiento del sistema, del tamaño de las partículas q e se debe de retene y de su c locación e el sistem . La c ída de pre ión asocia a a los filt os debe d ser lo má pequeña posible para ello de debe de ten r en cuenta que esta dependerá básicamente de las dimensiones de la mall que se u ilice así c mo del ca da, de la ensidad y de la visc sidad del luido hidr ulico.
Colocación de los filtros en l sistema hidráulico
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2.3. Bombas hidráulicas Las bombas hidráulicas son uno de los elementos hidráulicos más importantes que actúan en un sistema hidráulico, sobre todo un sistema hidráulico de aviación, pues de ellas depende el funcionamiento de los trenes de aterrizaje, el movimiento de algunas superficies de control ya sean primarias o secundarias y un sin número de elementos en el interior de las aeronaves. En los grandes aviones existen dos y hasta tres sistemas hidráulicos independientes, cuyas bombas se accionan mediante combinación de medios impulsores. De esta forma la fiabilidad o seguridad de los sistemas hidráulicos es excepcionalmente alta, pues resulta muy improbable un fallo total. La bomba es el elemento que se encarga de transformar la energía de entrada en presión o potencia hidráulica, accionada externamente por un motor, y que suministrará un flujo proporcional a la velocidad de entrada. La presión dependerá de la resistencia del circuito y de la carga en el actuador. Las bombas hidráulicas se pueden clasificar en dos grandes grupos según su desplazamiento o caudal sea constante o variable. ‐Bomba
de desplazamiento constante; el flujo de salida es proporcional a su velocidad de rotación. ‐Bombas
de desplazamiento variable; el flujo de salida es independiente de su velocidad de rotación. Cuando el pistón se desplaza hacia la derecha obligará al fluido encerrado en el cilindro a salir a través de la válvula de salida, hacia el sistema hidráulico, y por tanto el volumen desplazado será igual al producto de la sección del pistón S, por su carrera L, o a lo que es equivalente a su desplazamiento por radian D, por el ángulo girado, es decir: V=SL= Dθ
Y por lo tanto el caudal o flujo volumétrico vendrá dado por la expresión: Q = d (Dθ ) =D dt
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Por lo que el ca dal o flujo volumétrico será igual a la velocidad de ent ada. Una serie de pi tones como el anteri r dispuestos radialm nte alrededor de una leva, constituyen la ase para una bomba enominada de pistón radial típi a, mientras que si los cilindros estuvieran colocados como en la figura tendríamos una bom a de pist nes axiales. La p tencia me ánica teórica de dich bomba hi ráulica ve drá dada por la expre ión:
W=Tω =
∆p
=Dω∆p
Esta expresiones, tanto d l caudal c mo la de l potencia on validas para las bombas com para los
otores hidráulicos.
Esqu ma de fun ionamiento de una bomba de pistones
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Diagram y caracte ística de u a bomba e pistones axiales
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CLASIFICACIÓN DE LAS BOMBAS HIDRAULICAS Independientemente de la clasificación ya hecha de las bombas hidráulicas según su desplazamiento, es también posible clasificarlas en tres tipos según la forma empleada para generar la presión en el circuito, clasificándolas en:
Bombas de pistones Bombas de paletas Bombas de engranajes
Las bombas de pistones y paletas pueden ser bombas de desplazamiento constante o variable según su diseño, mientras que las bombas de engranajes son únicamente constante. BOMBAS DE PISTONES: como se ha descripto anteriormente estas pueden ser de pistones radiales o axiales, según la colocación de los pistones con respecto al eje de la bomba. Bomba de pistones axiales; Figura 12, el ángulo de la placa permite variar el flujo suministrado e incluso invertir el sentido de movimiento del líquido hidráulico. Este es uno de los tipos de bomba estándar utilizado actualmente en las aplicaciones aeronáuticas. Tanto las bombas de pistones axiales como radiales utilizan varios cilindros y pistones para disminuir los pulsos de presión en el sistema y conseguir un flujo más uniforme. BOMBAS DE PALETAS: constan de un rotor, en el que se encuentran la paletas móviles que giran dentro de la cámara de la bomba, tomando las paletas el fluido hidráulico de la entrada y lo comprime al disminuir la sección de la cámara. La capacidad de la bomba dependerá del desplazamiento de la sección y de la velocidad de rotación de la paleta. La diferencia de presión entre la entrada y la salida de la bomba da lugar a una carga importante sobre las paletas así como sobre el eje del rotor, lo que puede producir el fallo de lo cojinetes en este tipo de bombas de paletas denominadas simples. Para corregir este desequilibrio se ha construido la cámara de la bomba de forma elíptica y se han colocado dos entradas y salidas para el fluido hidráulico, consiguiendo de esta manera equilibrar y tener una resultante creo sobre el eje. En la figura siguiente tenemos el esquema de estos dos tipos de bombas.
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Esquema de las bombas e paletas simple y eq ilibrada
BO BAS DE E GRANAJE S: estas son las más sencillas y robustas, constan d dos ruedas dentadas que según su disposición da lu ar a distintos tipos, c mo se ven en la figura 16. Den minándos de conta to externo o interno según la colocación e los engranajes o según su for a lobuladas o gerotor. En
l caso de
ngranajes de contacto extern el giro d las ruedas es en sentido
contrario a lo ue se pod ía esperar intuitivam nte. El fluido es arrastrado ent e los dien es del eng anaje y la arcasa de la bomba d la entrad y salida. Las
ombas de engranaj
deben de tener la
ínima holgura entre los dient s del
engranaje y la arcasa de la bomba, sí como las paredes laterales d la bomba, para evit r la pérdid del fluido hidráulico. En l s denomin das de co tacto inte no el engr naje exterior mayor s arrastrado por el giro del engranaje interior más pequeño ccionado
or el motor. Este ti o de
bomba tiene la ventaja de estar sometida a esfu rzos menores. Las ombas de ominadas de gerotor disponen e dos engranajes de contacto interno, figura 16, pero con la particularidad de que el engrana je interno tiene un diente menos que el e granaje externo.
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Los erotores son un tipo de bombas que tole an una alta contami ación del luido hidr ulico, así de
ismo aqu llas que utilizan un a illo excéntrico tienen la caracte ística
antener el sentido d l movimie to del flui o hidráuli o al cambiar 180 gra os la
excentricidad d l anillo. Otro tipo de bombas de engrana e son las bombas de tornill , que constan gen ralmente e un tornillo primari o central y dos tornillos secun arios de
enor
diá etro, colocados en u cilindro, siendo el sentido de rotación de las hélices e los tornillos secundarios contrario al del rimario. En estas bomb s de tornillo, la potencia de ac ionamient es absor ida única ente por l tornillo rimario, presentando además l característica de tener un cau al de salida uniforme, así como tener velocidades de accionami nto eleva as con un nivel de r ido muy b jo.
Esque a de disti tos tipos e bombas de engran jes
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RENDIMIENTO VOLUMETRICO
El caudal teórico Q viene dado por el producto Dω, sin embargo, la existencia de fugas en la bomba hidráulica dará lugar a que el caudal real sea la diferencia entre el caudal teórico y el debido a las pérdidas por fugas en la bomba. Por lo tanto si llamamos QR al caudal real de la bomba, QT al caudal teórico y QP al caudal de las pérdidas, tendremos que:
Q R = Q T - Q P
El caudal debido a las pérdidas por una fuga, suponiendo que su flujo es laminar, es una función de la holgura c, de su longitud L, de su anchura w, de la viscosidad µ y de la caída de presión ∆p entre la salida y la entrada siendo su expresión:
Q= K c3w∆p µL El caudal debido a todas las fugas de la bomba hidráulica vendrá por tanto dado por la expresión siguiente donde el coeficiente CGD representa la constante geométrica de la bomba.
Q P = CGD ∆p
Por lo tanto el caudal real de la bomba hidráulica vendrá dado por la siguiente expresión:
Q R = Dω ‐ CGD ∆p = D(ω-CG ∆p)
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El rendimiento volumétrico se define por la relación entre el caudal real y el caudal teórico, es decir, si dividimos la ecuación anterior por Dω, obtendremos:
ηv
= 1‐ CG(∆p)
CARACTERISTICAS DE LAS BOMBAS HIDRAULICAS Las principales características de los distintos tipos de bombas hidráulicas respecto a su intervalo de presiones de funcionamiento a su caudal, velocidad y rendimiento total están recogidas en la tabla 4. En las bombas de engranajes el caudal depende del volumen de fluido hidráulico entre pares de dientes, del número de dientes y de la velocidad de rotación. El caudal teórico de una bomba de engranajes de contacto externo vendrá dado por la expresión:
Q T = Π ( Dc2 – DR2)W Donde: Dc es el diámetro de la circunferencia de cabeza DR es el diámetro de la circunferencia de raíz w la anchura de los dientes.
Las características de las bombas de engranajes dependen de la capacidad de resistir la diferencia de presión entre la entrada y la salida, así como las pérdidas de fluido hidráulico debido a las holguras entre sus elementos. Su rango de caudales se encuentra entre los 0,2 y los 400 cm3 y sus velocidades de rotación entre 500 y 6000 rpm. La presión máxima de funcionamiento es del orden de los 300 bar y su rendimiento volumétrico es el menor de todos los tipos de bombas hidráulicas, alrededor de 0,90.
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Las bombas de paletas se caracterizan por tener una velocidad de rotación mínima del orden de las 600 rpm para conseguir en las paletas la fuerza centrífuga necesaria para sellar la cámara, así como menores pérdidas por holguras que las bombas de engranajes. El caudal de una bomba de paletas se puede calcular en cm3/min por la siguiente expresión:
Q = DR (D‐d) n [Π ( D+d) – hz] Donde: DR es el diámetro del rotor en cm, n las rpm D el radio mayor de la paleta d el radio menor de la paleta h el espesor de la paleta z el número de paletas α
el ángulo de inclinación de la paleta con respecto el radio.
Este tipo de bomba trabaja a baja presión, hasta 140 bar, con velocidades hasta 3000 rpm, y una gama de caudales muy amplia, entre 2.5 y 300 l/min, es decir sus intervalos se presión y caudal son menores que el de las bombas de engranajes, aunque sus menores pérdidas por las holguras permiten mejorar su rendimiento volumétrico hasta valores del orden de los 0.95. Las bombas de pistones se caracterizan por su elevado rendimiento a altas presiones lo que es muy importante cuando lo que se necesita es un caudal constante independientemente de las variaciones de presión. Las bombas de pistones de tipo axial pueden alcanzar valores de presión entre 350 y 700 bar y caudales entre 640 y 1400 l/min, pudiendo alcanzar los 3500 l/min en el caso de bombas axiales de eje inclinado. Las bombas de pistones de tipo radial pueden alcanzar presiones del orden de los 1700 bar y caudales de 1000 l/min con rendimientos volumétricos elevados, alrededor de los 0,98 según la disposición de los cilindros.
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La
ayoría de las bom as hidráulicas que se han utilizado en los sistem s de
aeronaves giraban entre 150‐300 rad/s, sin embargo en los últimos añ s ha aumentado dic a velocida
y así las ombas estándar utilizadas actualmente, tanto de
engranajes como de pistón, tienen velocidades en torno a l s 400‐600 rad/s. En g neral todas las características d las bombas hidráulic s están relacionadas on el cost , el cual e el factor rítico en l s sistemas hidráulico industrial s, mientras que en l s sistemas hidráulicos de las aer naves es principalme te el peso y la fiabilidad de los f ctores det rminantes.
aracterísticas de las ombas hidráulicas
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Características de las bombas hidráulicas
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SELECCIÓN DE LAS BOMBAS HIDRAULICAS Los principales parámetros que se deben de tener en cuenta en la selección de una bomba hidráulica son los siguientes:
Presión máxima de funcionamiento El caudal máximo El tipo de control La velocidad de la bomba El tipo de fluido hidráulico El tamaño El peso de la bomba Los rendimientos El coste El mantenimiento
PRESIÓN MÁXIMA DE FUNCIONAMIENTO: La presión máxima de funcionamiento vendrá determinada por la potencia necesaria en el sistema hidráulico, el tipo de fluido hidráulico, su utilización así como los elementos relacionados con el coste, la disponibilidad de los elementos del sistema etc. En la TABLA 4 se puede ver estos parámetros para distintos tipos de bombas. La ventaja de utilizar presiones de funcionamiento elevadas es que permite reducir los caudales para una potencia dada, y por tanto el sistema tendrá en general bombas, conductos etc. más pequeños; su principal desventaja es el efecto de compresibilidad que puede afectar su control de precisión. CAUDAL DE LA BOMBA: El caudal de la bomba vendrá también determinado por el sistema hidráulico si este necesita un caudal constante la bomba deberá de ser de desplazamiento fijo, en el caso de necesitar varios niveles de caudal fijos se utilizará una multibomba. La capacidad de la bomba viene dada por el fabricante para una viscosidad que depende de la temperatura y la presión de funcionamiento, por lo tanto, el caudal necesario para un sistema determinado se aumentará un 10% para tener en cuenta la disminución del rendimiento volumétrico con el uso. TIPO DE FLUIDO HIDRAULICO: El tipo de fluido hidráulico influye en la vida de la bomba al estar relacionado con la lubricación de las partes móviles del sistema, así como su contaminación que podrá afectar directamente al funcionamiento de la bomba. Página 33
TAMAÑO Y PESO: El tamaño y el peso de la bomba son importantes en los sistemas hidráulicos de los aviones, aunque al ser solo uno de los elementos del sistema lo importante es su consideración en el conjunto. En general la disminución de peso se consigue incrementando la presión de funcionamiento del sistema y/o reduciendo el tamaño del depósito hidráulico y utilizando buenos refrigeradores del fluido hidráulico.
RENDIMIENTO: El rendimiento real de las bombas depende: • • • •
De su diseño De la presión de funcionamiento De la velocidad del fluido bombeado De la viscosidad de dicho fluido.
MANTENIMIENTO: El mantenimiento de los distintos tipos de bombas depende del desgaste de sus componentes, así las bombas de engranajes se sustituyen enteras mientras que las de paletas permiten cambiar solo el cartucho de bombeo, en otros tipos de bombas su mantenimiento depende de las especificaciones del fabricante.
3.4. Válvulas hidráulicas Las válvulas hidráulicas son los elementos intermedios entre el fluido hidráulico, las señales de control y los actuadores, utilizándose para controlar la dirección del movimiento del fluido hidráulico, su caudal y su presión. En general, una válvula actúa sobre uno de los anteriores parámetros, así una válvula de alivio se utiliza para regular la presión en el circuito hidráulico o en una parte de él. Una válvula de corredera puede usarse para cambiar la dirección del movimiento del actuador y una válvula de control de flujo puede variar la velocidad del actuador. En la práctica se suelen combinar varias válvulas en una válvula denominada compuesta para realizar varias funciones. Un ejemplo típico es la válvula de
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control de velocidad unidireccional que está compuesta por una válvula de control de flujo y una válvula de alivio.
TIPOS DE VÁLVULAS Las válvulas hidráulicas, como hemos visto anteriormente, constituyen los elementos de interacción entre el fluido hidráulico, las señales de control y los actuadores. Las señales de control pueden ser mecánicas, hidráulicas, neumáticas o eléctricas y el tipo de control puede ser digital o analógico. Las válvulas hidráulicas se clasifican en distintos tipos según la función que realizan en el circuito hidráulico. Estas funciones son: control de la dirección del movimiento del fluido hidráulico, control de la presión y del flujo, dando lugar a las denominadas válvulas direccionales, válvulas de control de presión y válvulas de control de flujo. Se pueden utilizar válvulas que cumplen sólo una función o combinar varias válvulas en una sola, denominadas válvulas compuestas que desarrollaran varias funciones.
a. VÁLVULAS SELECTORAS Los sistemas hidráulicos necesitan distintos tipos de válvulas selectoras para dirigir y regular el movimiento del fluido hidráulico desde la bomba a los actuadores y, aunque las válvulas pueden desempeñar distintas funciones, existen básicamente solo dos tipos de válvulas selectoras o distribuidores, según tengan un número finito o infinito de posiciones. Una válvula de infinitas posiciones puede tener una posición cualquiera entre las posiciones de abierta y cerrada y, por tanto, puede utilizarse para controlar el flujo o la presión. Las válvulas con un número finito de posiciones, generalmente sólo permiten abrir o cerrar el paso al fluido hidráulico a través de un número dado de entradas y salidas. Las válvulas de control vendrán definidas por el número de entradas y salidas y por el número de posiciones de control de dicha válvula o, dicho de otro modo, por su número de orificios y por su número de posiciones. Las válvulas de control pueden clasificarse en válvulas de disco, de corredera y rotatorias según los elementos que use para el control. Las válvulas de disco son sencillas, robustas, sin embargo, necesitan fuerzas proporcionales a su área y a la presión del sistema, lo que no las hace aconsejables en los sistemas hidraulicos de alta presión.
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Válvula selectora de disco
Las válvulas de corredera se caracterizan por el número de émbolos o carretes que se encuentran en su eje de desplazamiento, así como por el tipo de recubrimiento que estos hacen de los orificios correspondientes. En la siguiente figura tenemos un esquema de una válvula de corredera de cinco orificios:
Esquema de una válvula de corredera de cinco orificios
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Se define como recubrimiento a la diferencia entre la anchura del émbolo y la del orificio de la válvula, clasificándose este recubrimiento en tres tipos denominados positivo, negativo y nulo. El recubrimiento de la válvula será positivo si la anchura del émbolo es mayor que la del orificio, será negativo cuando la anchura del émbolo es menor que la del orificio y será nulo cuando ambas medidas sean exactamente iguales. En la siguiente figura podemos ver todos los casos señalados.
Esquema de los distintos tipos de recubrimientos de una válvula de corredera
Los puntos principales que se deben de tener en cuenta cuando se examina una válvula selectora son: el número de conexiones ó puertos activos, el número de posiciones en que el elemento de la válvula puede colocarse, y su modo de mando.
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Para cálculos rápidos puede suponerse que el flujo entre dos puertos viene dado por la expresión:
b. VÁLVULAS UNIDIRECCIONALES Las válvulas unidireccionales (check valve) solo permiten el movimiento del fluido hidráulico en un sentido, es decir, realizan la misma función que los diodos en los circuitos eléctricos. Los elementos de este tipo de válvula los podemos ver en la siguiente figura, existiendo diferentes cargas en el muelle dependiendo de la presión diferencial o de apertura de la válvula.
Elementos y características de las válvulas unidireccionales
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La caída de presión en la válvula depende del caudal necesario en el sistema hidráulico, pues a mayor caudal mayor será el desplazamiento de la bola o del cono y, por tanto, mayor la fuerza sobre el muelle. Las váIvulas unidireccionales de bola son las más sencillas aunque suelen presentar pérdidas de fluido hidráulico y no son apropiadas para sistemas con presiones superiores a los 200 bares o que alcancen temperaturas de trabajo superiores a los 35C. Las válvulas unidireccionales de cono son más apropiadas para las altas presiones de los sistemas hidráulicos en general y para los utilizados en los aviones en particular. . Las válvulas unidireccionales restrictoras permiten el paso del fluido hidráulico en un sentido y un flujo reducido del mismo en sentido contrario, es decir, proporcionan distintas velocidades operativas en cada uno de los sentidos de funcionamiento del mecanismo asociado. Una aplicación típica de este tipo de válvula es en el tren de aterrizaje, donde interesa una velocidad de retracción del tren normal y una velocidad de extensión del tren lenta para evitar daños estructurales al avión.
c. VÁLVULAS DE ALIVIO La función de las válvulas de alivio es fijar la presión máxima del sistema hidráulico, por lo tanto constituyen el sistema más sencillo de regular la presión, aunque su uso suele ser el de elemento de reserva en el caso de fallo del sistema de control de presión. Los elementos de una válvula de este tipo están indicados en la siguiente figura, manteniéndose dicha válvula cerrada debido a la presión ejercida por el muelle que se ajusta a la presión de alivio. Si la carga aplicada por el muelle es F, la válvula se abrirá cuando la fuerza ejercida por la presión pa en el área del elemento de asiento A sea igual a dicha fuerza F, es decir:
donde pa es la denominada presión de apertura o de alivio de la válvula.
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Esquema y características de las válvulas de alivio
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Las válvulas de alivio de bola o de disco se caracterizan por tener una respuesta rápida a los incrementos de presión, del orden de los 25 ms aunque su fIujo no es constante y suelen golpear el asiento de la válvula dando lugar a su desgaste y a la aparición de pérdidas. Debido a los efectos de fricción y de biselado del asiento de la válvula, la presión a que el disco vuelve a encajar en el asiento y cerrar el flujo es del orden del 80-90% de la presión de colapso. La presión para levantar el disco de su asiento cuando el fluido empieza a deslizarse a través de la pequeña holgura entre los elementos produce una fuerza de apertura superior al empuje aplicado por el muelle opuesto. La válvula entonces tiende a abrirse bruscamente con la consecuente caída de presión de manera que el disco tiende de nuevo a reasentarse dando lugar a golpes continuos en el asiento de la válvula y por lo tanto generando unos daños que únicamente pueden evitarse con un amortiguamiento adecuado. Las válvulas de alivio son particularmente proclives a la inestabilidad y, es necesario seleccionarlas con mucho cuidado, particularmente sus posiciones en circuito hidráulico. Debe recordarse que todo el fluido que pasa a través de la válvula de alivio lo hace con una gran caída de presión y un incremento en su temperatura. Debido a la gran caída de presión a través de la válvula, el fluido generalmente cavita, dando lugar a la aparición de espuma si el fluido descarga directamente en el depósito hidráulico.
3.5. Actuadores hidráulicos Los sistemas hidráulicos sabemos que se utilizan para transmitir y controlar una fuerza por medio de una bomba que genera un movimiento en el fluido hidráulico y cuya presión, dirección y velocidad se controla a través de las válvulas del sistema. Los actuadores son aquellos elementos, en los sistemas hidráulicos, que convierten la energía del fluido en energía mecánica, y cuya potencia de salida del caudal depende de la caída de presión en el actuador y de su rendimiento total.
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Existen dos tipos básicos de actuadores denominados: lineales y rotativos. Los actuadores lineales, como su nombre indica, dan lugar a un movimiento rectilíneo cuya longitud depende del actuador. Los actuadores rotativos permiten un movimiento de rotación que puede ser continuo o limitado a un valor angular fijo, en el primer caso se denominan motores hidráulicos y en el segundo actuadores semirrotativos. En este trabajo vamos a ver únicamente los actuadores lineales que a su vez pueden clasificarse en tres grupos denominados: actuadores de desplazamiento, actuadores de simple acción y actuadores de doble acción.
A) ACTUADORES LINEALES DE DESPLAZAMIENTO Los actuadores de desplazamiento consisten en un vástago que se desplaza en el interior de un tubo o cilindro debido al bombeo de fluido hidráulico en el interior de dicho cilindro, como puede verse en la siguiente figura:
Esquema de los actuadores de desplazamiento y telescópico
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En estos actuadores el volumen del vástago que sale es igual al volumen de fluido hidráulico que entra en el cilindro, de ahí el nombre de este tipo de actuador lineal. El movimiento del vástago es guiado por medio de unos cojinetes o soportes en uno de los extremos del cilindro, mientras el extremo del vástago tiene una placa que evita que este se salga del cilindro, a la vez que limita su carrera. Un actuador de este tipo es un actuador de extensión o de simple acción que, para volver a su posición inicial, tiene que utilizar un muelle, una fuerza externa o por medio de la gravedad. El empuje máximo que puede obtenerse en un actuador de desplazamiento viene dado por la expresión siguiente:
donde p es la presión y d el diámetro del vástago.
La velocidad de extensión del vástago vendrá dada por la relación entre el flujo de fluido hidráulico que entra en el cilindro y el área del vástago. Cuando se necesita una longitud de carrera grande y la longitud disponible en la instalación no lo permite, se recurre a los denominados actuadores telescópicos.
Este tipo de actuadores consiste en un conjunto de cilindros dispuestos tal como se ve en la figura anterior y que funciona de igual manera que el actuador de desplazamiento que hemos visto anteriormente. El movimiento de los cilindros de cada sección está limitado por unos anillos que evitan la separación entre las distintas secciones. Cuando el cilindro inicia su extensión se produce el desplazamiento de todas secciones hasta que la sección exterior alcanza su máxima carrera, y las secciones restantes continúan la extensión hasta alcanzar su límite la segunda sección y así sucesivamente hasta la sección última.
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La velocidad de extensión de estos actuadores aumentará por etapas conforme cada sección alcanza su máxima longitud, para un caudal de entrada dado. Igualmente la capacidad de carga disminuirá en cada sección suponiendo una presión determinada.
B) ACTUADORES LINEALES DE SIMPLE ACCIÓN. Este tipo de actuador sólo puede ejercer su función en un sentido, extensión o retracción, teniéndose que realizar el movimiento de retorno por medio de un muelle o de una fuerza externa. En la siguiente figura podemos ver un esquema de un actuador de este tipo. Para conseguir un buen sellado en el pistón, la terminación superficial de la pared del cilindro debe de ser de alta calidad; igualmente los anillos metálicos colocados en el pistón pueden ser de material elastómero. Los orificios para el drenaje colocados en la parte del cilindro no sometido a la presión del fluido hidráulico evitan la acumulación de fluido debido a las pérdidas a través del pistón así como la reducción de su carrera. El actuador de simple acción se utiliza principalmente como mecanismo de blocaje, siendo la presión del sistema hidráulico la que se encarga de desbloquearlo; por ejemplo, en el sistema del tren de aterrizaje se encarga de bloquearlo una vez se ha efectuado su retracción.
Esquema de un actuador lineal de simple acción.
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C) ACTUADORES LINEALES DE DOBLE ACCIÓN. Estos actuadores pueden funcionar en ambos sentidos de acuerdo con el lado del pistón en que se aplique la presión del fluido hidráulico. En la figura vemos un esquema de este tipo de actuador.
Esquema de un actuador lineal de doble acción.
El cilindro consiste en un tubo con culatas en ambos extremos que pueden ir soldadas, atornilladas o sujetas por tirantes. Al menos uno de los extremos tiene un cojinete y elementos selladores para desplazar y ajustar el vástago del pistón. Para calcular la velocidad de desplazamiento del pistón en el cilindro supondremos que el diámetro del cilindro es D y el del vástago es d, y los caudales a uno y otro lado del pistón son QE y qE cuando se produce una extensión, y Q R y q R cuando se produce la retracción, tal como se ve en la figura anterior, por lo tanto las velocidades de extensión y retracción del pistón serán:
y la velocidad de retracción será:
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De donde obtenemos que el caudal que sale del cilindro cuando el pistón está extendiendo es menor que el de entrada, es decir:
y el caudal que sale del cilindro cuando se produce la retracción del pistón es mayor que el caudal de entrada, es decir:
Para calcular la fuerza desarrollada por el actuador en el caso de una posición estática distinguiremos, igual que hemos hecho anteriormente, entre los movimientos de extensión y retracción, teniendo en el caso de la extensión:
para la retracción tendremos:
En el caso de una situación dinámica se deben de tener en cuenta, en el cálculo de la fuerza, la carga de inercia, la fricción de los sellados la carga de fricción etc. lo que hace que en una primera aproximación se tome un valor equivalente al 0.9 del correspondiente al de la fuerza estática calculada. La presión asociada a la fricción del sellado se suele tornar de 5 bares para los cálculos, reduciendo su valor una vez se ha iniciado el desplazamiento del pistón. Igualmente este valor variará según el diseño del tipo de sellado utilizado, disminuyendo conforme aumente el diámetro del cilindro. Los actuadores de doble acción también pueden tener un doble vástago o vástago pasante con el mismo o diferente diámetro, aunque lo más usual es que tengan el mismo diámetro. Este tipo de actuadores de vástago pasante se suelen utilizar cuando es necesario tener la misma velocidad en ambos sentidos de desplazamiento, o cuando trabajen ambos extremos del actuador o que, en el caso de que uno de ellos no trabaje, se use para indicar la posición de la carga. Sin embargo, uno de los mayores problemas de este tipo de actuador es conseguir el correcto alineamiento de todos sus elementos, el cilindro, el pistón,
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las culatas y los vástagos, pues cualquier error incrementará el desgaste en los elementos de sellado y por lo tanto un fallo prematuro del actuador.
4.‐ CONCLUSIONES • El sistema hidráulico juega un papel central en el control y operación de la aeronave. • Los distintos aviones implementan sistemas muy similares con pequeñas variaciones. • Existe un gran esfuerzo hoy en día en I+D para minimizar el uso de la energía hidráulica con un éxito sólo parcial. • El diseño e integración de sistemas hidráulicos es una tecnología en si misma. Existe un conjunto de empresas muy lucrativas que se dedican a este negocio.
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