MANUAL DE OLEOHIDRAULICA INDUSTRIAL OSVALDO CEBALLOS K.
935100-E
EDITORIAL BLUME, S.A. Milanesat, 21-23 08017 Barcelona
Título original: Mobile Hydraulics Manual Traducido del inglés por M. Villaronga Maicas, Director de la Escuela de Oleohidráulica de Vickers en España Diseño sobrecubierta: Jordi Godia Segunda edición española 1984 ISBN 84-7031-537-4 © 1970 Sperry Rand Corporation Depósito legal: B-42..216-1984 Impreso en España por IGOL,S.A. Luis Millet 59-63 - Esplugues
PREFACIO
Como muchas ramas de la ingeniería, la hidráulica es a la vez antigua y moderna. El uso de la rueda hidráulica, por ejemplo, es tan antiguo que su invención precede a la historia escrita. Sin embargo, el uso de un fluido bajo presión, utilizado para transmitir potencia y controlar movimientos complicados, es relativamente moderno y ha tenido su mayor evolución en las dos o tres últimas décadas. No nos concierne aquí el estudio de la generación de potencia en la rama de la hidráulica representada por la rueda hidráulica. La máquina de vapor, el motor de combustión interna, el motor eléctrico y la turbina de agua, todos, han realizado un trabajo admirable en el suministro de potencia; sin embargo, todos ellos necesitan mecanismos para transformar esta potencia en trabajo útil. El propósito de este manual es estudiar el uso de los fluidos a presión en la transmisión de potencia o movimiento bajo un control preciso. A menudo se nos ha preguntado: ¿por qué es la hidráulica industrial necesaria, cuando tenemos a nuestra disposición muchas y bien conocidas máquinas mecánicas, neumáticas y eléctricas?. Respondemos lo siguiente: porque un fluido a presión es uno de los medios más versátiles, conocidos hoy en día, para originar o modificar movimientos, y para transmitir potencia. Es tan rígido como el acero y además infinitamente flexible. Cambia instantáneamente su forma para adaptarse al cuerpo que resiste su empuje y se puede derivar haciendo cada derivación su trabajo con arreglo a sus posibilidades, y puede reunirse nuevamente para trabajar en conjunto. Puede moverse rápidamente en una parte de su trayectoria y despacio en la otra. Ningún otro medio combina el mismo grado de exactitud y flexibilidad, manteniendo la posibilidad de transmitir un máximo de potencia con un mínimo de volumen y peso. Las leyes de la mecánica de los fluidos son tan sim-les como las de los sólidos y más sencillas que las leyes que regulan la electricidad, los vapores o los gases. La ingeniería en general y la hidráulica en particular se proponen aumentar la capacidad física y mental del hombre en la realización de trabajos más rápidos y precisos y con menos desgaste de energía humana. Aunque este manual está dedicado principalmente a explicar el funcionamiento y mantenimiento del equipo Vickers, incluye capítulos generales sobre principios fundamentales de la hidráulica y sobre todos los tipos de bombas, motores y válvulas de control. El equipo Vickers descrito se limita a los elementos más representativos que pueden hallarse, habitualmente, en la industria de la máquina-herramienta. En los últimos años han sido desarrolladas y establecidas normas en la mayoría de las industrias; en el campo de la hidráulica, probablemente los esfuerzos más significativos en este sentido fueron iniciados por la Joint Industry Conference (J.I.C.). La J.I.C. estaba formada por varias asociaciones de industrias reconocidas, interesadas en establecer normas para la industria, teniendo por finalidad promover la seguridad del personal, la facilidad del mantenimiento y prolongar la vida útil del equipo y de las herramientas. Como sus recomendaciones fueron muy bien recibidas en el campo de la hidráulica, sus esfuerzos fueron continuados por la American Standards Association (ASA) en cooperación con la National Fluid Power Association. El nombre de ASA fue cambiado posteriormente por el de ANSI {American National Standards Institute).
5
TABLA DE MATERIAS
TITULO Introducción a la Hidráulica Principios de la Energía hidráulica Fluidos hidráulicos Tuberías hidráulicas y estanqueidad Depósitos, filtros y refrigeradores Actuadores hidráulicos Controles de dirección Servoválvulas Controles de presión Controles de caudal Bombas hidráulicas Accesorios Circuitos hidráulicos industriales
Definición de términos técnicos Símbolos gráficos normalizados Datos técnicos Bibliografía índice analítico
1
Capítulo 1
INTRODUCCIÓN A LA HIDRÁULICA
El estudio de la hidráulica concierne al empleo y características de los líquidos. Desde tiempos primitivos el hombre ha usado fluidos para facilitar su tarea. No es difícil imaginar un hombre de las cavernas flotando por un río sobre un tronco, y arrastrando a sus hijos u otras pertenencias a bordo de otro tronco con una cuerda fabricada con lianas trenzadas. Los más antiguos vestigios históricos muestran que sistemas como las bombas y las norias eran conocidos en las épocas más antiguas. Sin embargo, la rama de la hidráulica que nos concierne sólo empezó a usarse en el siglo XVII. Basada en un principio descubierto por el científico francés Pascal, se refiere al empleo de fluidos confinados para transmitir energía, multiplicando la fuerza y modificando el movimiento. La Ley de Pascal, enunciada sencillamente, dice: la presión aplicada a un fluido confinado se transmite íntegramente en todas las direcciones y ejerce fuerzas iguales sobre
áreas iguales, actuando estas fuerzas normalmente a las paredes del recipiente. Esto explica por qué uña botella llena de agua se romperá si introducimos un tapón en la cámara ya completamente llena. El líquido es prácticamente incomprensible y transmite la fuerza aplicada al tapón a todo el recipiente (fig. 1-1). El resultado es una fuerza considerablemente mayor sobre un área superior a la del tapón. Así, es posible romper el fondo de la botella empujando el tapón con una fuerza moderada. La misma sencillez de la Ley de Pascal fue probablemente la causa de que, durante dos siglos, el hombre no se diera cuenta de sus enormes posibilidades. En los primeros años de la revolución industrial, un mecánico británico llamado Joseph Bramah utilizó el descubrimiento de Pascal para desarrollar una prensa hidráulica. Bramah pensó que si una pequeña fuerza, actuando sobre un área pequeña, crea una fuerza proporcionalmente más grande sobre un área mayor, el único límite a la fuerza que
9
Figura 1-2. Equilibrio hidráulico 10
puede ejercer una máquina es el área a la cual se aplica la presión. La figura 1-2 muestra cómo Braman aplicó el principio de Pascal a la prensa hidráulica. La fuerza aplicada es la misma que en el tapón de la figura 1-1 y el pequeño pistón tiene la misma área de 1 cm 2 . El pistón grande, sin embargo, tiene un área de 10 cm 2 . El pistón grande es empujado con. 10 kp de fuerza por cm 2 , de forma que puede soportar un peso total o fuerza de 100 kp. Puede verse fácilmente que las fuerzas o pesos que equilibran este aparato son proporcionales a las áreas de los pistones. Así pues, si el área del pistón de salida es de 200 cm 2 , la fuerza de salida será de 2000 kp (suponiendo el mismo empuje de 10 kp sobre cada cm 2 ). Este es el principio del funcionamiento del gato y de la prensa hidráulicos. Es interesante notar la similitud entre esta prensa simple y una palanca mecánica (vista B). Como Pascal ya había indicado, en este caso también la fuerza es a la fuerza como la distancia es a la distancia.
1.2. CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA Una ley fundamental de la física afirma que la energía no puede crearse ni destruirse. La multiplicación de fuerza en la figura 1 -2 no es una cuestión de obtener algo por nada. El pistón grande se mueve solamente por la acción del líquido desplazado por el pistón pequeño, lo que hace que la distancia que recorre cada pistón sea inversamente proporcional a su superficie (fig. 1-3). Lo que se gana en fuerza se pierde en distancia o velocidad.
1.3. TRANSMISIÓN DE POTENCIA HIDRÁULICA Ahora puede definirse la hidráulica como un medio de transmitir energía empujando un líquido confinado. El componente de entrada del sistema se llama bomba; el de salida se denomina actuador. Aunque por razones de sencillez hemos representado un pistón simple, la mayoría de las bombas llevan pistones múltiples, paletas o engranajes, que son sus elementos de bombeo. Los accionadores pueden ser lineales, como el cilindro mostrado, o rotativos, como los motores hidráulicos (fig. 1-4). El sistema hidráulico no es una fuente de potencia. La fuente de potencia es un accionador primario —un motor eléctrico u otro tipo de motor— que acciona la bomba. El lector podría preguntarse: ¿por qué no olvidarse de la hidráulica y acoplar el equipo mecánico directamente al accionador primario? La respuesta reside en la versatilidad
1.1. DEFINICIÓN DE PRESIÓN Para determinar la fuerza total ejercida sobre una superficie es necesario conocer la presión o fuerza sobre la unidad de área. Generalmente expresamos esta presión en kp por cm 2 . Conociendo la presión y el número de cm2 de la superficie sobre la cual se ejerce, se puede determinar fácilmente la fuerza total. (fuerza en kp = presión en kp/cm2 x superficie en cm 2 )
Figura 1-3. La energía no puede crearse ni destruirse 11
Figura 1-4. Transmisión de potencia hidráulica 12
del sistema hidráulico que tiene ventajas sobre los otros mé todos de transmisión de energía.
1.4. VENTAJAS DE LA HIDRÁULICA 1.4.1. Velocidad variable La mayoría de los motores eléctricos funcionan a una velocidad constante. El actuador (lineal o rotativo) de un sistema hidráulico, sin embargo, puede moverse a velocidades infinitamente variables, variando el suministro de la bomba o usando una válvula de control de caudal (fig. 1-5). 1.4.2. Reversibilidad Pocos accionadores primarios son reversibles. Los que son reversibles, generalmente deben decelerarse hasta una parada completa antes de invertirlos. Un actuador hidráulico puede invertirse, instantáneamente, en pleno movimiento, sin problemas. Una válvula direccional de 4 vías (fig. 1 -6) o una bomba reversible proporcionan el control de inversión, mientras una válvula limitadora de presión protege a los componentes del sistema contra las presiones excesivas. 1.4.3. Protección contra las sobrecargas La válvula limitadora de presión de un sistema hidráulico lo protege contra las sobrecargas. Cuando la carga es superior al taraje de la válvula, el caudal de la bomba se dirige al depósito limitando el par o la fuerza de salida. La válvula limitadora de presión también proporciona el medio de ajustar una máquina para un par o fuerza predeterminada, como en una operación de bloqueo. 1.4.4. Tamaños pequeños Los componentes hidráulicos, debido a su elevada velocidad y capacidad de presión, pueden proporcionar una potencia de salida elevada con pesos y tamaños pequeños. 1.4.6. Pueden bloquearse El bloqueo de un motor eléctrico causa daños o funde el fusible. Igualmente, las máquinas no pueden bloquearse bruscamente e invertirse su sentido sin necesidad de arrancar de nuevo. Un actuador hidráulico, sin embargo, puede quedar bloqueado sin que se produzcan daños, al estar sobrecargado, y arrancará inmediatamente en cuanto disminuya la carga. Durante el bloqueo, la válvula de seguridad simplemente dirige el caudal de la bomba al depósito. La única pérdida experimentada es la potencia que se disipa inútilmente.
1.5. ACEITE HIDRÁULICO Todos los líquidos son esencialmente incompresibles y, por consiguiente, transmiten la energía instantáneamente en un sistema hidráulico. La palabra hidráulica, de hecho, viene del griego Hydor que significa agua y Aulos que significa tubo. La primera prensa hidráulica de Bramah y algunas prensas todavía utilizadas hoy en día emplean el agua como elemento de transmisión. Sin embargo, el líquido más generalmente usado en los sistemas hidráulicos es el aceite proce-
dente del petróleo. El aceite transmite la energía fácilmente porque es muy poco compresible. Se comprime aproximadamente 0.5 % a una presión de 70 kp/cm 2 , lo que es despreciable en la mayoría de los sistemas. La propiedad más destacable del aceite es su capacidad lubrificante. El fluido hidráulico debe lubrificar la mayor parte de las piezas móviles de los componentes.
1.6. PRESIÓN EN UNA COLUMNA DE FLUIDO El peso específico del aceite varía al cambiar su viscosidad. Sin embargo, el peso específico de la mayoría de los aceites hidráulicos varía de 0.88 a 0.93 kp/cm 3 , en condiciones de funcionamiento normales. Una consideración importante referente al peso específico del aceite es su efecto en la entrada de la bomba. El peso del aceite origina una presión de aproximadamente 0.09 kp/cm2 en el fondo de una columna de aceite de 100 cm de altura (fig. 1-7). Así pues, para estimar la presión en la parte inferior de cualquier columna de aceite se debe multiplicar su altura en centímetros por 0.0009 kp/cm 2 . Para aplicar este principio consideremos los casos en que el depósito de aceite esté situado encima o debajo de la entrada de la bomba (fig. 1-8). Cuando el nivel de aceite del depósito está por encima de la entrada de la bomba, existe una presión positiva que fuerza al aceite hacia la bomba. Sin embargo, si la bomba está situada por encima del nivel de aceite, se necesita un vacío equivalente a 0.09 kp/cm2 por metro para elevar el aceite hasta la entrada de la bomba. En realidad, el aceite no es elevado por el vacío, sino que la presión atmosférica impulsa al aceite contra el vacío creado a la entrada de la bomba cuando ésta está funcionando. El agua y varios fluidos hidráulicos ininflamables son más pesados que el aceite y por consiguiente requieren más vacío por centímetro de elevación. 1.7. LA PRESIÓN ATMOSFÉRICA CARGA LA BOMBA Normalmente la entrada de una bomba está cargada con aceite, debido a la diferencia de presiones entre el depósito y la entrada de la bomba. Generalmente la presión en el depósito es la presión atmosférica, que es de 1.03 kp/cm 2 . Es, pues, necesario tener un vacío parcial o una presión reducida a la entrada de la bomba, para que ésta pueda aspirar aceite. La figura 1-9 muestra la situación típica de una bomba manual, que es simplemente un pistón recíproco. En la carrera de aspiración, el pistón crea un vacío parcial en la cámara de bombeo. La presión atmosférica en el depósito impulsa al aceite hacia la cámara para llenar el vacío. (En una bomba rotativa las cámaras de bombeo sucesivas aumentan de tamaño a medida que pasan por la entrada creando, efectivamente, una condición de vacío.) Si fuese posible crear un vacío completo a la entrada de la bomba, se dispondría de 1.03 kp/cm2 para impulsar al aceite. Sin embargo, prácticamente la diferencia de presión disponible es mucho menor. Uno de los motivos es que los líquidos se evaporan en un vacío. Esto introduce burbujas de gas en el aceite. Las burbujas son arrastradas a través de
1. En esta posición de la válvula direccional...
2. la salida de la bomba se dirige al extremo superior del cilindro. 3. El vastago del cilindro se extiende.
4. El aceite de la sección anular es expulsado del cilindro hacia el tanque.
5. En la otra posición el aceite se dirige a la sección anular del cilindro... 6. el vastago retrocede.
7. El aceite de salida de la sección llena del cilindro va al tanque.
8. La válvula de seguridad protege el sistema desviando momentáneamente el caudal al tanque durante la inversión, cuando el pistón está bloqueado o se detiene al final de la carrera.
Figura 1-6. Los actuadores hidráulicos son reversibles 15
la bomba, desaparecen con fuerza considerable cuando se ven expuestas a la presión en la salida y causan daños que pueden perjudicar al funcionamiento de la bomba y reducir su vida útil. Incluso si el aceite tiene buenas características de presión de vapor (como la mayoría de los aceites hidráulicos), una presión en la línea de entrada demasiado baja (alto vacío) permite que se evapore el aire disuelto en el aceite. Esta mezcla de aceite también desaparece al verse expuesta a la presión de la carga y provoca los mismos daños de cavitación. Si la bomba funciona a velocidad demasiado elevada, aumenta la velocidad en la línea de entrada y tambie'n la condición de baja presión, lo que incrementa la posibilidad de cavitación. Si los racores de la línea de entrada no están bien apretados, el aire exterior, a la presión atmosférica, puede penetrar hacia la presión más baja (zona de más baja presión de la línea) y puede llegar hasta la bomba. Esta mezcla aireaceite también es causa de problemas y de ruido pero es diferente de la cavitación. Cuando se ve expuesto a la presión en la salida de la bomba, este aire adicional se comprime, formando una especie de "cojín", y no desaparece tan violentamente. No se disuelve en el aceite pero penetra en el sistema en forma de burbujas compresibles que provocan un funcionamiento errático de las válvulas y actuadores. La mayoría de los fabricantes de bombas recomiendan un vacío que no exceda de 127 mm de mercurio, el equivalente de aproximadamente 0.83 kp/cm2 en la entrada de la bomba. Con una presión atmosférica de 1.03 kg/cm dispo-
nible en el depósito esto deja solamente una diferencia de presión de 0.20 kp/cm2 para impulsar al aceite hacia la bomba. Debe evitarse una elevación excesiva y las líneas de entrada de la bomba deben permitir que el aceite circule con un mínimo de resistencia.
1.8. LAS BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO DAN CAUDAL La mayoría de las bombas utilizadas en los sistemas hidráulicos se clasifican como de desplazamiento positivo. Esto significa que, exceptuando los cambios de rendimiento, la salida de la bomba es constante, aislada de la entrada, de forma que cualquier cosa que entre se ve forzada a salir por el orificio de salida. El único objeto de una bomba es dar caudal; la presión es originada por la resistencia al caudal. Aunque existe la tendencia de culpar a la bomba por la pérdida de presión, con pocas excepciones, la presión puede perderse solamente cuando hay fugas que desvían todo el caudal procedente de la bomba. Como ejemplo supongamos que una bomba de 10 litros por minuto se utiliza para alimentar un cilindro de 100 cm2 y para levantar una carga de 4000 kp (fig. 1-10). Mientras la carga sea elevada o soportada por el aceite hidráulico, la presión debe ser 40 kp/cm 2 . Incluso si hay un agujero en el pistón y 9.5 1/min se fugan a 40 kp/cm 2 , la presión se seguirá manteniendo. Con
Figura 1-8. Situaciones en la entrada de la bomba 17
solamente 0.5 1/min disponibles para mover la carga, ésta, naturalmente, se levantará muy despacio, pero la presión requerida para moverla seguirá siendo la misma. Ahora imaginemos que la fuga de 9.5 1/min estuviese en la bomba en vez de en el cilindro. Todavía habría 0.5 1/min para mover la carga y todavía habría presión. Así pues, una bomba puede estar muy desgastada, perdiendo casi todo su rendimiento, y la presión todavía puede mantenerse. El mantenimiento de la presión no indica el estado de la bomba. Es necesario medir el caudal a una presión determinada para comprobar si una bomba está en buenas o malas condiciones. 1.9. COMO SE CREA LA PRESIÓN La presión se origina cuando el caudal encuentra resistencia. La resistencia puede ser debida a la carga del actuador o a una restricción (u orificio) en las tuberías. La figura 1-10 es un ejemplo de un actuador con carga. El peso de 4000 kp resiste al caudal de aceite bajo el pistón y crea presión en el líquido. Si el peso aumenta, también lo hace la presión. En la figura 1-11 una bomba de 10 1/min tiene su salida conectada a una válvula de seguridad regulada a 70 kp/cm2 y a un grifo. Si el grifo está completamente abierto el caudal de salida de la bomba pasa libremente y no hay indicación en el manómetro. Supongamos ahora que el grifo se cierra progresivamente. Aumenta la resistencia al caudal y la presión irá aumentando a la entrada del grifo. A medida que se cierra la aber-
tura se necesitará cada vez más presión para impulsar los 10 1/min a través de la restricción. Sin la válvula de seguridad no habría teóricamente ningún límite al incremento de presión. De hecho, o algo se rompería o la bomba bloquearía el motor que la acciona. En nuestro ejemplo, en el momento en que la presión llega a 70 kp/cm 2 , la válvula de seguridad empieza a abrirse y la presión permanece constante. Cerrar más el grifo dará como resultado que pasará menos aceite por el mismo y más por la válvula de seguridad. Con el grifo completamente cerrado, los 10 1/min pasarán por la válvula de seguridad a 70 kp/cm 2 . Acabamos, pues, de ver que en todos los sistemas en que se emplean bombas de desplazamiento positivo debe utilizarse una válvula de seguridad u otro sistema que limite la presión.
1.10. DERIVACIONES DE CAUDAL Una característica inherente a los líquidos es que siempre toman el camino de menor resistencia. Así pues, cuando las derivaciones ofrecen resistencias diferentes, la presión aumenta solamente en la cantidad requerida para circular por el camino de menos resistencia. En la figura 1-12 el aceite tiene tres caminos posibles. Como la válvula A sé abre a 7 kp/cm 2 , el aceite pasará por esta derivación y la presión aumentará solamente hasta 7 kp/cm 2 . Si el caudal quedase bloqueado más allá de A, la presión aumentaría hasta 14 kp/cm*; entonces el aceite pa-
saría por B. No habría caudal a través de C a menos que el camino a través de la válvula B también se bloquease. De manera similar, cuando el caudal de salida de una bomba se dirige hacia dos actuadores, el actuador que necesita menos presión es el primero en moverse. Como es difícil equilibrar las cargas exactas, los cilindros que deben moverse juntos se suelen conectar mecánicamente.
En esta relación: P es la presión en kp/cm2 F es la fuerza en kp S es la superficie e.i cmJ Según esto, puede verse que un aumento o disminución de la carga dará como resultado un incremento o disminución similar en la presión de trabajo. En otras palabras, la presión es proporcional a la carga, y una lectura del manómetro indica la carga de trabajo (en kp/cm a ) en un momento dado. Los manómetros indican presiones relativas. Es decir que un manómetro estándar indica 0 a la presión atmosférica. Un manómetro absoluto indica 1.03 kp/cma a la presión atmosférica al nivel del mar. La presión absoluta se mide generalmente en kp/cm1 abs.
1.11. CIRCULACIÓN DEL CAUDAL EN SERIE Cuando las resistencias al caudal están conectadas en serie, las presiones se suman. En la figura 1-13 se muestran las mismas válvulas que en la figura 1-12 pero conectadas en serie. Los manómetros colocados en las líneas indican la presión normalmente requerida para abrir cada válvula, además de la contrapresión procedente de las válvulas situadas en el sentido de la corriente. La presión en la bomba es la suma de las presiones requeridas para abrir las válvulas individualmente.
1.14. LA FUERZA ES PROPORCIONAL A LA PRESIÓN Y A LA SUPERFICIE Cuando un cilindro hidráulico se usa para mantener una carga, la fuerza que aplica puede calcularse como sigue:
1.12. CAÍDA DE PRESIÓN A TRAVÉS DE UN ORIFICIO Un orificio es un paso restringido en una línea hidráulica o componente, usado para controlar el caudal o crear una diferencia de presión (caída de presión). Para que el aceite fluya a través de un orificio, tiene que haber una diferencia de presión o caída de presión a través del orificio (el término "caída" procede del hecho de que la presión inferior siempre está más abajo en el sentido de la corriente). Inversamente, si no hay caudal no hay diferencia de presión a través del orificio. Consideremos las condiciones relativas al orificio en la figura 1-14, vista A. La presión es igual a ambos lados; por consiguiente, el aceite es impulsado de igual manera en ambos sentidos y no hay caudal. En la vista B, la presión más elevada impulsa más fuertemente hacia la derecha y el aceite fluye por el orificio. En la vista C también hay una caída de presión; sin embargo, el caudal es menor que en B porque la diferencia de presión es menor. Un aumento de la caída de presión a través de un orificio siempre estará acompañado por un aumento del caudal. Si el caudal se bloquea más allá de un orificio (Vista D), la presión se igualará inmediatamente a ambos lados del orificio de acuerdo con la Ley de Pascal. Este principio es esencial para el funcionamiento de muchas válvulas de control de presión compuestas (equilibradas hidráulicamente).
F = Px S Nuevamente: P es la presión en kp/cm2 F es la fuerza en kp S es la superficie en cm2 Como ejemplo, supongamos que una prensa hidráulica tiene su presión regulada a 140 kp/cm2 (fig. 1-15) y esta presión se aplica a una superficie de 100 cm 2 . La fuerza de salida será entonces 140 000 kp o 14 t. 1.15. CALCULO DE LA SUPERFICIE DEL PISTÓN La superficie de un pistón puede calcularse mediante la fórmula: S = 0.7854 x d2 Donde: S es la superficie en cm2 D es el diámetro del pistón en cm Las relaciones precedentes pueden representarse gráficamente tal como se indica para mostrar las tres relaciones:
1.13. LA PRESIÓN INDICA LA CARGA DE TRABAJO En la figura 1-10 se veía cómo la presión se genera por la resistencia de una carga. Se observó que la presión es igual a la fuerza de la carga dividida por la superficie del pistón. Podemos expresar esta relación mediante la fórmula general:
F =Px S P =F/S S = F/P
A / F \ /V[Q\
1.16. VELOCIDAD DE UN ACTUADOR F P=— S
La velocidad de desplazamiento del vastago de un cilindro o de giro de un motor depende de su tamaño y del caudal •
22
Según esto, podemos sacar las siguientes conclusiones: (1) que la fuerza o par de un actuador es directamente proporcional a la presión e independiente del caudal; (2) que su velocidad depende del caudal que reciba con independencia de la presión.
que se le envía. Para relacionar el caudal con la velocidad, consideremos el volumen que requiere el actuador para obtener un desplazamiento determinado. En la figura 1-16 puede observarse que los dos cilindros tienen el mismo volumen. Sin embargo, el pistón del cilindro B se desplaza dos veces más rápidamente que el cilindro A porque el caudal de la bomba se ha doblado. Si cualquiera de los cilindros tuviese un diámetro más pequeño, sería más rápido. O si su diámetro fuese mayor sería menos rápido, suponiendo, naturalmente, que el suministro de la bomba fuese constante. La relación entre estas magnitudes puede expresarse como sigue:
1.17. VELOCIDAD EN LAS TUBERÍAS La velocidad a que circula el fluido hidráulico a través de las líneas es una consideración de diseño importante, debido al efecto de la velocidad sobre el rozamiento. Generalmente las velocidades recomendadas son: línea de aspiración de la bomba: de 0.6 a 1.2 metros por segundo, línea de trabajo: de 2 a 5 metros por segundo. A este respecto, hay que observar que: 1. La velocidad del aceite varía inversamente al cuadrado del diámetro interior del tubo. 2. Generalmente el rozamiento de un líquido que circula por una línea es proporcional a la velocidad. Sin embargo, si el régimen fuese turbulento, el rozamiento variaría con el cuadrado de la velocidad. En la figura 1-17 puede verse que doblando el diámetro interior de una línea se cuadruplica su sección; así, la veloci25
Figura 1-17. La velocidad es inversamente proporcional a la sección de las tuberías
dad es cuatro veces menor en la línea más ancha. Por el contrario, reduciendo a la mitad el diámetro, se disminuye la superficie a 1/4 y se cuadruplica la velocidad del aceite. El rozamiento origina turbulencia en la corriente de aceite y opone resistencia al caudal, lo que da como resultado un aumento de caída de presión en la línea. Se recomienda una velocidad muy baja para la línea de aspiración de la bomba porque allí la caída de presión admisible es muy pequeña.
1.19. TAMAÑOS NOMINALES DE LAS LINEAS Los tamaños nominales en mm de las tuberías, tubos, etc., no son indicadores precisos del diámetro interior. En las tuberías normalizadas, el diámetro interior real es mayor que el tamaño nominal citado. Para seleccionar un tubo se necesita una tabla que indique los diámetros interiores reales (véase capítulo 4). . Para tubos de acero y cobre, el tamaño indicado es el diámetro exterior. Para hallar el diámetro interior, restar el doble del espesor de la pared (fig. 1-18).
1.18. SELECCIÓN DEL DIÁMETRO DE TUBERÍA Se dispone de dos fórmulas para calcular el diámetro y la velocidad en las tuberías hidráulicas. Si se conocen el caudal en 1/min y la velocidad deseada, se utiliza esta relación para hallar la sección interior: caudal (1/min)
Superficie = — (en cm 2 ) 6 • velocidad (en metro/seg) Cuando se tiene el caudal en 1/min y el diámetro de la tubería, se utiliza esta relación para hallar cuál será la velocidad final: caudal (1/min) Velocidad (m/seg) = 6. superficie (cm 2 ) En el capítulo cuarto se encontrará una tabla nomográfica que permite hacer estos cálculos colocando una regla sobre unas escalas graduadas.
1.20. TRABAJO Y POTENCIA Cuando se ejerce una fuerza a lo largo de una distancia, se realiza un trabajo: Trabajo = fuerza x distancia El trabajo se expresa generalmente en kgm. Por ejemplo, si un peso de 10 kp se eleva a 10 metros, el trabajo es 10 kp x 10 m, o sea 100 kgm. La fórmula precedente para el trabajo no toma en consideración con qué velocidad se realiza dicho trabajo. El trabajo realizado por unidad de tiempo se denomina potencia. Para visualizar la potencia pensemos en la operación de subir unas escaleras. El trabajo realizado es el peso del cuerpo multiplicado por la altura de las escaleras. Pero es más difícil correr por las escaleras que andar. Cuando se corre se hace el mismo trabajo pero a mayor velocidad.
fuerza x distancia Potencia =
1.22. POTENCIA Y PAR
trabajo =
tiempo
De forma equivalente podríamos deducir que:
tiempo
RPM • par (m.kp)
La unidad de potencia es el caballo de potencia, en abreviatura hp. Es equivalente a 75 kgm/seg. También tiene equivalencias en potencias eléctrica y calorífica.
Potencia hidráulica (CV) = 717
1 hp = 746 W (potencia eléctrica) 1 hp = 176.6 cal/seg (potencia calorífica) 1.23. DISEÑO DE UN SISTEMA HIDRÁULICO SENCILLO
Evidentemente es deseable poder transformar la potencia hidráulica en potencia mecánica y conocer su equivalente mecánico, eléctrico y calorífico.
A partir de la información dada en este capítulo es posible diseñar un circuito hidráulico sencillo. Se indica a continuación la forma en que se debe proceder para hacerlo (véanse figs. 1-19 a 1-21).
1.21. POTENCIA EN UN SISTEMA HIDRÁULICO En un sistema hidráulico la velocidad queda indicada por el caudal, en litros por minuto, y la fuerza, por la presión. De esta forma podemos expresar la potencia hidráulica como sigue: fuerza x distancia Potencia = tiempo
1.23.1 Trabajo a realizar Para diseñar un circuito, la primera consideración es sobre el trabajo que se debe realizar. Este trabajo puede ser levantar un peso, girar una herramienta o bloquear algún elemento. El trabajo determina el tipo de actuador que hay que utilizar. Probablemente el primer paso será la selección del actuador. Si los requerimientos fuesen simplemente de levantar una carga, un cilindro hidráulico colocado bajo ella haría el trabajo. La longitud de carrera del cilindro sería, por lo menos, igual a la distancia de desplazamiento de la carga. Su superficie se determinaría mediante la fuerza requerida para elevar la carga y la presión de funcionamiento deseada. Supongamos que un peso de 4000 kp ha de elevarse a una altura de 1 metro y que la presión máxima de funcionamiento debe limitarse a 50 kp/cm 2 . El cilindro seleccionado tendría una longitud de carrera de, por lo menos, 1 metro, y con una superficie de pistón de 80 cm2 proporcionaría una fuerza máxima de 4000 kp. Esto, sin embargo, no prevé ningún margen de error. Una mejor selección sería un cilindro de 100 cm2 que permitiría levantar la carga a 50 kp/cm2 proporcionando una capacidad de elevación de hasta 5000 kp. El desplazamiento hacia arriba y hacia abajo del cilindro sería controlado mediante una válvula direccional. Si la carga debe detenerse en puntos intermedios de su trayecto, la válvula direccional deberá tener una posición neutral en la cual el caudal de aceite del lado inferior del pistón quede bloqueado, para soportar el peso sobre el cilindro. La velocidad a la cual debe desplazarse la carga determina el tamaño de la bomba. El pistón de 100 cm2 desplaza 100 cm3 por cada cm que se levanta. El mover el cilindro 10 cm requerirá 1000 cm3 de aceite. Si hay que moverlo a razón de 10 cm por segundo, requerirá 1000 cm3 de aceite por segundo o 60 1/min. Como las bombas generalmente se dimensionan en galones por minuto, será necesario dividir 60/3785 para obtener el valor en galones por minuto; 60/3785 = 16 gpm. La potencia necesaria para accionar la bomba depende de su caudal y de la presión a la cual funciona. La fórmula
presión X superf. X distanc. = = tiempo
presión x volumen =--= presión x caudal tiempo Para expresar esta relación en unidades, hacemos lo siguiente : kp dm3 Presión (kp/cm*) • caud. (1/m) = pres. X caud. . cma minuto 104 cm'
m3
1 .
. 103
m»
minuto .
dm3
kp • m = presión x caudal
60 s
CV
6«s CV
= presión x caudal 75 kgm/s
= potencia 450
Así: presión (kp/cm 2 ) • caudal (1/min) potencia hidráulica (CV) = 450 Esta fórmula corresponde a la potencia hidráulica a la salida de la bomba. La potencia requerida para accionarla será algo mayor puesto que el rendimiento del sistema no es del 100%. Si suponemos un rendimiento medio del 80 %, la potencia mecánica para el accionamiento de la bomba será: presión (kp/cm 2 ) • caudal (1/min) Potencia (CV) = 360 29
10. ¿Cuál es la presión en el fondo de una columna de aceite de 20 metros?
siguiente determina el tamaño del motor eléctrico requerido, suponiendo un rendimiento medio del 80 %. 60 x 50 Potencia (CV) =
11. ¿Qué puede Ud. decir sobre las presiones en los extremos opuestos de un orificio cuando el aceite está pasando a través de él?
= 8.3 CV 450 x 0.8
Para impedir la sobrecarga del motor eléctrico y para proteger la bomba y otros componentes contra una presión excesiva, debida a sobrecargas o bloqueo, se monta una válvula de seguridad para limitar la presión máxima del sistema, en la línea, entre la salida de la bomba y la entrada de la válvula direccional. Un depósito dimensionado para contener aproximadamente de 2 a 3 veces la capacidad de la bomba en galones por minuto y tuberías de interconexión adecuadas completarán el sistema.
12. ¿De qué presión se dispone habitualmente para cargar el orificio de entrada de la bomba? 13. ¿Por qué el vacío a la entrada de la bomba debe ser lo más bajo posible? 14. ¿Cuál es la función de una bomba? 15. ¿Por qué la pérdida de presión no es generalmente un síntoma de mal funcionamiento de la bomba? 16. ¿Cómo se crea la presión?
1.24. CONCLUSIÓN 17. Si tres válvulas antirretorno taradas a 7 kp/cm5 se conectan en serie, ¿qué presión será necesaria, a la salida de la bomba, para que el aceite las atraviese?
Este capítulo ha presentado una breve introducción a la hidráulica para mostrar sus principios básicos. Naturalmente, existen numerosas variaciones de los sistemas presentados. Muchas de éstas se desarrollarán, con más detalle, en los capítulos siguientes.
18. ¿Cuál es la fórmula para calcular la presión necesaria para que un cilindro accione una carga? 19. ¿Cuál es la fórmula que da la fuerza máxima ejercida por el vastago de un cilindro?
1.25. CUESTIONARIO 20. ¿Qué es lo que determina la velocidad de un actuador? 1. Enunciar la Ley de Pascal.
21. ¿Cuál es la relación entre la velocidad del fluido y la fricción en la tubería?
2. Definir la presión.
22. ¿Qué es trabajo? ¿Qué es potencia?
3. Si una fuerza de mil kilos se aplica sobre una superficie de 20 cm 2 , ¿cuál será la presión?
23. ¿Cómo se calcula la potencia en un sistema hidráulico?
4. ¿Qué quiere decir "conservación de la energía"? 24. ¿Con qué componente empieza el diseño de un circuito hidráulico?
5. ¿Cómo se denomina el componente de salida de un sistema hidráulico? ¿Y el componente de entrada?
25. ¿Qué determina el caudal de la bomba que se requiere en un circuito hidráulico?
6. ¿Cuál es la fuente principal de energía?
26. ¿Cuál es el área del pistón de un cilindro de 125 mm de diámetro?
7. Enunciar varias ventajas de un sistema hidráulico. 8. ¿Cuál es el origen de la palabra "hidráulica"?
27. ¿Qué hace la válvula de seguridad? 9. ¿Qué es lo que hace que el aceite sea útil como fluido hidráulico?
28. ¿Qué hace una válvula direccional?
32
