OLEOHIDRAULICA BASICA
Preparado por : Ing.MBA. Víctor Bernales Vera 2008
Qué es tecnología óleo hidráulica? En la tecnología oleo hidráulica transmitimos y controlamos fuerzas y velocidades transmitiendo y controlando presión y caudal. Usamos actuadores hidráulicos y técnicas de control en casi todas las ramas de la tecnología.
Qué es tecnología óleo hidráulica? Unos pocos ejemplos son: ingeniería mecánica tecnología automotriz tecnología agricola movimiento de tierras y minería tecnología de construcción naval aeronáutica y astronáutica
Qué es tecnología óleo hidráulica? Los principios de la tecnología hidráulica no son nuevos. En el siglo XVIII en Londres fue construida una prensa hidráulica y la Torre Eiffel fue ajustada por gatas hidráulicas de agua. Cerca de 200 años AC los griegos ya usaban maquinas accionadas hidráulicamente con agua
Ley de Pascal 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 en las paredes del recipiente,
Ley de Pascal Esto explica por que una botella llena de agua se rompe si. introducimos un tapón en la cámara ya completamente llena El liquido es prácticamente incomprensible y transmite la fuerza aplicada al tap6n a todo el recipiente. 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.
Ley de Pascal Los sistemas oleohidráulicos operan de acuerdo a la ley de Pascal. La ley de Blaise Pascal dice: 'La presión, en un fluido hidráulico estático en un sistema cerrado, es la misma en todos los puntos'. Sin embargo, cuando la velocidad del flujo es constante, también se puede aplicar la ley de Pascal.
Qué es tecnología óleo hidráulica?
Ley de Pascal Cuando el hombre salta sobre el pistón pequeño, induce una presión en el sistema. Esta presión también actúa en el pistón grande; debido al área mayor de este pistón, la fuerza inducida por la presión es capaz de elevar el automóvil. La presión puede ser calculada con la fórmula: donde: P= F/A p = presión = (pascal: Pa) F = fuerza (newton: N) A = área (metro cuadrado: m2)
Aplicación de la Ley de Pascal por Bramah 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 mas grande sobre un área mayor, el único limite a la fuerza que puede ejercer una máquina es el área a la cual se aplica la presión.
Aplicación de la Ley de Pascal por Bramah La figura 1 muestra cómo Bramah aplicación el principio de Pascal a la prensa hidráulica. La fuerza aplicada es la misma que en el tapón y el pequeño pistón tiene el área de 1 cm2. El pistón grande, sin embargo tiene un área de 10 cm2. El pistón grande es empujado con 10 Kp de fuerza por cm 2 de forma que puede soportar un peso total o fuerza de lOOK
Aplicación de la Ley de Pascal por Bramah 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 cm2, la fuerza de salida será de 2000 Kp (suponiendo el mismo empuje de 10 Kp sobre cada cm2). Este es el principio del funcionamiento de1 gato y de la prensa hidráulica.
Aplicación de la Ley de Pascal por Bramah Es interesante notar la similitud entre esta prensa simple y una palanca mecánica. Como Pascal ya habla indicado, en este caso, también la fuerza es a la fuerza como la distancia es a la distancia.
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 presion en Kp por cm2. 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 = presi6n en Kp/cm2 x superficie en cm2)
Conversión de energía Una ley fundamental de la física afirma que la energía no puede crearse ni destruirse
Conversión de energía
Diagrama de un sistema hidráulico bomba-motor simple 1 Depósito de aceite, 2 bomba hidráulica, 3 manómetro, 4 motor hidráulico(capaz de girar en ambos sentidos) De hecho todos los sistemas hidráulicos pueden ser reducidos a un sistema bomba-motor simple como el mostrado en el diagrama.
Conversión de energía
La bomba hidráulica es impulsada por un motor eléctrico ó un motor de combustión. La bomba hidráulica(2) succiona el aceite desde el depósito(1) y lo bombea a través de las líneas de tubería y mangueras hacia el motor hidráulico(4). El motor hidráulico por ejemplo acciona un winche.
Conversión de energía
Así la bomba convierte la energía mecánica en energía hidráulica (presión y caudal) y el motor hidráulico convierte energía hidráulica en energía mecánica de nuevo!. El aceite fluye al depósito desde el lado de descarga del motor hidráulico .
Conversión de energía
La presión en la línea de retorno es casi cero! La presión necesaria para mover el motor hidráulico se puede leer en el manómetro(3) , y está determinada por la resistencia en el sistema. La resistencia más importante es la carga a ser movida por el motor hidráulico(4). Las líneas y mangueras influyen también en el nivel de la presión. La velocidad del motor hidráulico está determinada por sus dimensiones (desplazamiento) y por el caudal que es bombeado hacia él
Definición de oleohidráulica Es un medio de transmitir energía empujando un liquido confinado. El componente de entrada se llama bomba; el de salida se denomina actuador. El actuador puede ser lineal (cilindro), o rotativo (motor). Características especiales que destacan a la Hidráulica . Muchas razones hacen que la elección recaiga en un control y propulsión hidráulicos.
Definición de oleohidráulica - Grandes fuerzas o momentos de giro producidos en reducidos espacios de montaje. Las fuerzas se gradúan automáticamente a las necesidades. El movimiento puede realizarse con carga máxima desde el arranque. Graduación continua simple (ya sea control o regulación) de la velocidad, momento o fuerza. Protección simple contra sobrecarga.
Definición de oleohidráulica Util para movimientos rápidos controlados, así como para movimientos de precisión extremadamente lentos. Acumulación relativamente sencilla de energía por medio de gases. Posibilidad de sistema de propulsión central con transformación en energía mecánica descentralizada ( Gran economía).
Como se crea la presión La presión se origina siempre que se produce una resistencia a la circulación de un liquido, o una fuerza que trata de impulsar el liquido. La tendencia a suministrar caudal (o empuje) puede originarse mediante una bomba mecánica o simplemente por el peso del fluido
Como se crea la presión Es un hecho bien conocido que en una columna de agua la presión aumenta con la profundidad. La presión es siempre la misma a una profundidad determinada, debido al peso de la columna de agua sobre ella.
Como se crea la presión En la época de Pascal, un científico italiano llamado Torricellí demostró que si se hace un agujero en el fondo de un tanque de agua, el agua se escapa a la máxima velocidad cuando el tanque está lleno y que el caudal disminuye a medida que baja el nivel de agua. En otras palabras a medida que disminuye la columna de agua sobre la abertura también se reduce la presión.
Como se crea la presión Torricellí pudo expresar la presión en el fondo del tanque solamente coma "carga de agua" o sea la altura en metros de la columna de agua. Hoy en día, con el valor de Kp/cm2 como unidad de presión, podemos expresar la presi6n en. cualquier punto de un líquido o de un gas en términos más convenientes. Todo lo que se necesita es conocer el peso de un metro cúbico del fluido.
Como se crea la presión Una columna de un metro de agua es equivalente a 0,1 Kp; una columna de agua de 5 metros equivale a O,5 Kp/cm2, y así sucesivamente. Una columna de aceite de la misma altura es equivalente aproximadamente, a 0,09 Kp/cm2. por metro.
Como se crea la presión En muchos lugares se utiliza el término "carga" para describir la presión, sin tener en cuenta cómo ha sido creada. Por ejemplo, se dice que una caldera crea una carga de vapor cuando la presión se origina vaporizando agua en un recipiente cerrado . Los términos presión y carga se utilizan, a veces, indistintamente.
Presión atmosférica La presión atmosférica no es otra cosa que la presión ejercida por el aire de nuestra atmósfera, debida a su propio peso. Al nivel del mar, una columna de aire de 1 cm2 de sección, y cuya altura es la atmosférica pesa 1,03 Kp.
Presión atmosférica Así pues, la presión es 1,03 Kp/cm2. A alturas más elevadas, naturalmente la columna pesa menos y la presión es inferior. Bajo el nivel del mar la presión atmosférica es superiora 1 Kp/cm2 .
Presión atmosférica Cualquier condición donde la presión sea inferior a la presión atmosférica se denomina vacío o vacío parcial. Un vacío perfecto es la ausencia total de presión o sea O Kp/cm2 absolutos. La presi6n atmosférica también puede medirse en milímetros de mercurio (mm.Hg) mediante un aparato llamado barómetro.
Presión atmosférica El barómetro de mercurio, inventado por Torricellí, se considera generalmente como el punto de partida y la inspiración de los estudios de Pascal sobre la presión. Torricellí descubrió que cuando se invierte un tubo lleno de mercurio, sumergiendolo en un recipiente abierto que contenga el mismo liquido, la columna del tubo desciende sólo una cierta distancia. Su razonamiento fue que la presión atmosférica sobre la superficie del liquido equilibraba el peso de la columna de mercurio al existir un vacío perfecto en la parte superior del tubo.
Presión atmosférica En una atmósfera normal, la columna tendrá siempre una altura de 760 mm. Así pues, 760 mm. de mercurio es otro equivalente de la presión atmosférica.
Medida del vacío Como el vacío es una presión inferior a la atmosférica puede medirse con las mismas unidades. Es decir, el vacío puede expresarse en Kp/cm2 o en mm de mercurio. La mayoría de los vacuómetros, sin embargo, están calibrados en mm de mercurio. Un vacío perfecto, que equilibra una columna de mercurio de 760 mm de altura, es 760 mm. El vacío absoluto viene indicado con un cero en la escala del vacuómetro.
Medida del vacío Resumen de escalas de presión y vacío Puesto que hemos mencionado varias formas de medir la presión y el vacío, seria conveniente resumir las diferentes unidades.
Medida del vacío 1- Una atmósfera es una unidad de presión equivalente a 1,03 Kp/cm2 ( el peso de una columna de aire de 1 cm2 de sección sobre la superficie de la tierra o 760 mm de una columna de mercurio). 2- Los mm absolutos de mercurio son una escala que empieza en el vacío perfecto (cero). La presión atmosférica es 760 mm en esta escala. 3- Los mm manométricos de mercurio se calibran en las mismas unidades que los mm absolutos pero sin tener en cuenta la presión atmosférica.
Medida del vacío
4- Para pasar de mm absolutos a mm manométricos: mm manométricos / 760 = mm absolutos mm absoluto -760 = mm manométricos 5-. La presión atmosférica en la graduaci6n del barómetro es 760mHg. Comparándolo a la escala absoluta de l
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 l,03 Kp/cm2. Es, pues necesario tener un vacío parcial o una presión reducida a la entrada de la bomba, para que ésta pueda aspirar aceite.
La presión atmosférica carga la bomba Situación típica de una bomba manual, que es simplemente un pistón reciproco. 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 un bomba rotativa las cámaras de bombeo sucesivas aumentan de tamaño a medida que pasan por la entrada creando, efectivamente, una condición de vacío).
La presión atmosférica carga la bomba 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.
La presión atmosférica carga la bomba Esto introduce burbujas de gas en el aceite. Las burbujas son arrastradas a través de 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.
La presión atmosférica carga la bomba 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 danos de cavitaci6n. Si la bomba funciona a velocidad demasiado elevada, aumenta la velocidad en la línea de entrada y también la condición de baja presión, lo que incrementa la posibilidad de cavitación.
La presión atmosférica carga la bomba 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 aire-aceite también es causa de problemas y de ruido pero es diferente de la cavitación.
La presión atmosférica carga la bomba 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 presión atmosférica carga la bomba La mayoría de los fabricantes de bombas recomiendan un vacío, que no exceda de 127 mm de mercurio, el equivalente de aproximadamente 0,83Kp/cm2 en la entrada de la bomba. Con una presión atmosférica de 1,03 Kg/cm2 disponible 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.
Bombas hidraúlicas Su misión, es la de transformar la energía mecánica suministrada por el motor de arrastre (eléctrico o de combustión Interna) en energía oleohidraúlica. Dicho de otra manera , una bomba debe suministrar un caudal de aceite a una determinada presión. Pese a lo elemental de los conceptos físicos, vale la pena dar una versión intuitiva del trabajo de una bomba.
Bombas hidráulicas En primer lugar debemos fijarnos en que, a diferencia del caso de los fluidos compresibles, no podemos almacenar aceite a presión ( a excepción de pequeñas cantidades en el acumulador) ; sólo habrá presión mientras actúe la bomba.
Bombas hidráulicas En segundo lugar, es fundamental ver que en los circuitos con fluidos incompresibles, las bomba no crean la presión por disminución del volumen ocupado por la masa del fluido -ya que esto no es posible- sino "empujando" el fluido que llena unos conductos, o pasa a través de unas restricciones.
Bombas hidráulicas Esto nos permite comprender como una pequeña bomba puede a veces mantenerrnos un circuito a muy alta presión, ya que su única misión será la de compensar las fugas y dar la presión a base de "intentar" introducir más aceite.
Bombas hidráulicas Si un circuito no tuviera fugas, ni fuera posible ninguna circulación de aceite, la presión iría aumentando (en fracciones de vuelta de la bomba) hasta frenar el motor de arrastre o romper la bomba o las conducciones. Es por esto que en cualquier circuito hay que poner elementos de protección contra sobrepresiones
Bombas hidráulicas Es fácil ver que, con este mismo principio, hay tipos de trabajo cualitativamente distintos, que exigirán bombas de diferentes características. Podemos pues clasificar las bombas desde dos puntos de vista: el de su función o el de su constitución interna.
Bombas hidráulicas En cuanto a su función, podemos considerar dos posibilidades extremas de bombas: las que dan un gran caudal a pequeña presión y las que dan un pequeño caudal a alta presión.
Bombas hidráulicas La misión del primer tipo será evidentemente llenar rápidamente las conducciones y cavidades del circuito (como ocurre al hacer salir un cilindro que trabaje en vacío). Las del segundo tipo servirán para hacer subir y mantener la presión en el circuito. Claro que en la mayoría de los casos no se van a usar dos bombas y hay que buscar un compromiso entre estos extremos.
Bombas hidráulicas Otras consideraciones llevan a la necesidad de construir bombas que tengan características determinadas. Así, para obtener una velocidad constante en un cilindro, nos hará falta una bomba de caudal constante.
Bombas hidráulicas Si queremos después mantener el cilindro en posición - para lo que nos basta compensar las fugas - no necesitaremos todo el caudal, por lo que nos puede interesar una bomba capaz de trabajar a dos caudales constantes: uno alto y otro bajo. Otro tipo de problemas exigirá bombas de caudal regulable en uno o en dos sentidos, bombas de potencia constante, etc.
Bombas hidráulicas Las bombas se fabrican en muchos tamaños y formas - mecánicas y manuales - con muchos mecanismos diferentes de bombeo y para aplicaciones muy distintas. No obstante, todas las bombas se clasifican en dos categorías básicas :hidrodinámicas e hidrostáticas.
Bombas hidrodinámicas Las bombas hidrodinámicas o de desplazamiento no positivo tales como los tipos centrífugos o de turbina, se usan principalmente para transferir .fluidos donde la .única resistencia que se encuentra es la creada por el peso del mismo fluido y el rozamiento
Bombas hidrodinámicas La mayoría de las bomba de desplazamiento no positivo funcionan mediante la fuerza centrifuga, según la cual el fluido, al entrar por el centro del cuerpo de la bomba, es expulsado hacia el exterior por medio de un impulsor que gira rápidamente. No existe ninguna separación entre los orificios de entrada y de salida, y su capacidad de presión depende de la velocidad de rotación.
Bombas hidrodinámicas Aunque estas bombas suministran un caudal uniforme y continuo, su desplazamiento disminuye cuando aumenta la resistencia. Es, de hecho posible bloquear completamente el orificio de salida en pleno funcionamiento de la bomba. Por ésta y otras razones las bombas de desplazamiento no positivo se utilizan muy pocas veces en los sistemas hidráulicos modernos.
Bombas hidrostáticas Como indica su nombre, las bombas hidrostáticas o de desplazamiento positivo suministran una cantidad determinada de fluido en cada carrera, revolución o ciclo. Su desplazamiento, exceptuando las pérdidas por fugas, es independiente de la presión de salida, lo que las hace muy adecuadas para la transmisión de potencia
Características y especificaciones técnicas Al pedir oferta o al hacer el pedido en firme de la bomba, se ahorrará tiempo si se indican las siguientes características técnicas: - Presión de funcionamiento en Kp/cm2 continua - momentánea. Si existen cargas punta de presión momentánea indique la duración de las mismas (en min). Capacidad deseada en l/mm ., fija o variable.
Características y especificaciones técnicas Número de revoluciones y dirección; la dirección de giro se indica según el sentido de las agujas de un reloj visto desde el eje de la bomba. En bombas fijas, en circuito cerrado, pueden existir las dos direcciones.
Características y especificaciones técnicas El tipo de motor de accionamiento. Esto es muy importante, sobre todo cuando se utiliza un motor de combustión para el accionamiento de bombas de pistones. A bordo de barcos se utilizan a menudo bombas accionadas por motores diesel, en cuyo caso es necesario calcular las vibraciones torsionales.
Características y especificaciones técnicas Indicación del líquido de accionamiento. Condiciones de funcionamiento, continuo o de corta duración, instalación interior o exterior. - Condiciones de temperatura. Rendimiento volumétrico
Características y especificaciones técnicas En teoría una bomba suministra una cantidad de fluido igual a su desplazamiento por ciclo o revolución. En realidad el desplazamiento efectivo es menor, debido a las fugas internas. A medida que aumenta la presión, las fugas desde la salida de la bomba hacia la entrada o al drenaje también aumentan y el rendimiento volumétrico disminuye.
Características y especificaciones técnicas El rendimiento volumétrico es igual al caudal real de la bomba dividido por el caudal teórico. Se expresa en forma de porcentaje. Caudal real Rendimiento volumétrico = ------------------C. teórico
Las bombas de desplazamiento positivo 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.
Las bombas de desplazamiento positivo 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
Las bombas de desplazamiento positivo Mientras la carga sea elevada o soportada por el aceite hidráulico, la presión debe ser 40 Kp/cm2. Incluso si hay un agujero en el pistón y 9,5 1/mm se fugan a 40 Kp/cm2, la presión se seguirá manteniendo. Con solamente 0,5 1/mm disponibles para mover la carga, ésta, naturalmente, se levantará muy despacio , pero la presión requerida para moverla seguirá siendo la misma.
Las bombas de desplazamiento positivo Ahora imaginemos que la fuga de 9,5 1/mm estuviese en la bomba en vez de en el cilindro. Todavía habría 0,5 1/mm 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.
La bomba de engranajes Para sistemas simples con un nivel de presión relativamente bajo (140 -180 bar / 14-18 MPa) la bomba de engranajes es la más usada. La bomba de engranajes es una bomba muy simple, fiable, económica y poco sensible a la suciedad. La bomba, en el dibujo, es movida en la dirección indicada.
La bomba de engranajes Mientras los engranajes giran y los dientes en el lado de succión se acercan al punto de engrane de las ruedas, se crea un vacío y el aceite fluye hacia el espacio entre los flancos de los dientes y la pared de la carcasa.
La bomba de engranajes El aceite en las cámaras es transportado hacia el lado de presión de la bomba. Allí los dientes engranan y el aceite es forzado a salir desde el espacio entre dientes hacia el puerto de descarga de la bomba.
La bomba de engranajes El engrane entre dientes evita que el aceite fluya del lado de presión al lado de succión de la bomba. Así el aceite es llevado del lado de succión al lado de presión a lo largo de la pared del alojamiento de los engranajes!
La bomba de engranajes La presión en el lado de presión está determinada por la resistencia en el sistema. La resistencia más importante es la carga sobre el motor hidráulico ó sobre el cilindro. Para prevenir la cavitación, la presión en el lado de succión de la bomba no deberá exceder los 0.1 - 0.2 bar
La bomba de engranajes con tres ruedas esquema muestra una
El bomba de engranajes con tres ruedas. La rueda central es impulsada por medio del eje de la bomba. Comparando ésta bomba con la bomba de engranajes de dos ruedas, la descarga de esta(de 3 ruedas) es dos veces mayor. Los dos puertos de succión y los de presión están conectados internamente. El funcionamiento de esta bomba es igual al de la . 'bomba de engranajes'
La bomba de pistones axiales La bomba de pistones axiales con plato inclinado giratorio En sistemas hidráulicos con una presión de trabajo por encima de aproximadamente 250 bar la bomba más usada es la bomba de pistones axiales.
La bomba de pistones axiales Los pistones se mueven paralelos al eje motriz. El plato inclinado es movido por el eje y el ángulo del plato determina la carrera del pistón. Las válvulas son necesarias para dirigir el flujo en la dirección correcta. Este tipo de bomba puede trabajar en ambas direcciones pero no puede ser usada como motor hidráulico.
La bomba de pistones axiales de desplazamiento variable La bomba de pistones axiales de desplazamiento variable La animación muestra como se puede variar el desplazamiento de una bomba de pistones axiales. En este ejemplo usamos una bomba de pistones axiales con un tambor de cilindros giratorio y un plato basculante estático. El tambor de cilindros es impulsado por un eje guiado a través de un agujero en el plato basculante
La bomba de pistones axiales de desplazamiento variable
La posición (ángulo) del plato basculante< determina la carrera de los pistones y por lo tanto la cilindrada (cm3/omw) de la bomba. El caudal entregado puede ser cambiado variando la posición del plato. Mientras más vertical sea la posición del plato, menor será la cantidad de caudal entregado.
La bomba de pistones axiales de desplazamiento variable Con la posición vertical del plato el caudal será cero. En tal caso la bomba puede ser movida pero no entregará nada de aceite. Normalmente el plato es posicionado por un cilindro hidráulico montado dentro de la carcasa de la bomba.
La bomba de paletas Las bombas de paletas son usadas en instalaciones con una presión máxima de 200 bar (aprox.). La ventaja de las bombas de paletas es un caudal uniforme (libre de pulsos) y un bajo nivel de ruido. El eje del rotor con las paletas radiales es movido por un motor de combustión ó uno de otro tipo.
La bomba de paletas El anillo estator es de forma circular y excéntrico con respecto al rotor. Esta excentricidad determina el desplazamiento (caudal). Cuando la excentricidad sea cero, el caudal será de 0 cm3; a partir de ese momento no se entregará aceite al sistema.
La bomba de paletas Succión y entrega: Las cámaras entre las paletas giran junto con el rotor. En el lado de succión el volumen de la cámara aumenta y se llena de aceite desde la línea de succión. En el lado de presión el volumen de la cámara disminuye y el aceite es empujado hacia la línea de presión.
La bomba de paletas La presión en el lado de presión esta determinada por la resistencia en el sistema. La resistencia más importante es la carga sobre un motor hidráulico ó un cilindro. Para prevenir la cavitación, la presión en el lado de succión no deberá exceder los 0.1 - 0.2 bar ( 10 a 20 kPa) por debajo de la presión atmosférica (presión mínima absoluta: 0.8 bar ó 80 kPa).
La bomba de paletas de caudal variable En muchas instalaciones industriales con una presión máxima de aproximadamente 200 bar, las bombas de paletas son las más usadas. Es posible encontrar bombas de este tipo, con caudal variable.
La bomba de paletas de caudal variable El eje del rotor con las paletas radiales es impulsado por un motor de combustión ó uno de otro tipo. El anillo estator es de forma circular y ubicado excéntricamente. La excentricidad determina el caudal entregado por la bomba.
La bomba de pistones axiales de tambor rotativo La bomba de pistones axiales de tambor rotativo. Esta bomba de pistones axiales consiste en un plato inclinado fijo (verde) y un tambor rotativo (celeste). La ventaja de esta construcción es que la bomba puede operar sin válvulas, debido a que el tambor rotativo tiene zonas de succión y de presión determinadas
La bomba de pistones axiales de tambor rotativo Esta animación muestra el comportamiento de un pistón solamente; estas bombas normalmente tienen 5, 7, 9 u 11 pistones. El tambor rotativo cambia al lado derecho sobre el así llamado plato puerto(amarillo). Este plato puerto está montado y asegurado en la carcasa.
La bomba de pistones axiales de tambor rotativo La vista A-A muestra el plato puerto. Cuando el ángulo del plato inclinado es ajustable, la bomba tiene un caudal variable y en ese caso la bomba tiene a menudo un control de presión ó de caudal, ó una combinación de ambos('Sensado de la carga' y 'corte' de presión). La bomba en la animación también puede ser usada como motor hidráulico.
El motor de engranajes Para sistemas simples con un nivel relativamente bajo de presión (de 140 a 180 bar / 14 - 18 MPa), el motor de engranajes es el más usado entre los motores hidráulicos.
El motor de engranajes El motor de engranajes es un motor muy simple, fiable, relativamente barato y el menos sensible a la suciedad. En la animación se puede ver que el sentido de rotación está determinado por la dirección del flujo de aceite. La presión en el lado de presión depende de la carga(torque) en el eje del motor hidráulico.
El motor de pistones radiales tipo estrella Los motores de pistones radiales son principalmente usados cuando se requieren altos torques a bajas velocidades, por ejemplo para accionar un winche. Debido a la baja velocidad de funcionamiento, muchas veces no es necesario usar una caja de reducción. La animación muestra la forma de trabajar de este motor.
El motor de pistones radiales tipo estrella Los vástagos de los cinco pistones montados radialmente 'empujan' la parte excéntrica del eje central. Una válvula distribuidora rotativa, movida por el eje central, se encarga del suministro adecuado de aceite desde/hacia los cilindros.
El motor de pistones radiales tipo estrella Al invertir la dirección del suministro de aceite hacia el motor, es posible invertir el sentido de giro de este. Otro tipo de motor de pistones radiales es aquel con Pistones radiales internos
El motor de pistones radiales internos Igual que el motor de pistones radiales 'tipo estrella' , el motor de pistones radiales internos se usa en sistemas que requieren torques altos. Para este tipo de motores hay disponibles motores con un desplazamiento de 300 litros/revolución y un torque de salida de más de 1 400 000 Nm! Por ejemplo, son usados para mover winches, trituradoras, neumáticos, ruedas de cangilones.
El motor de pistones radiales internos La animación muestra cómo opera este motor hidráulico. El tambor con los ocho pistones montados radialmente, gira alrededor de un eje estacionario que tiene la función de una válvula de camisa.
El motor de pistones radiales internos Un pistón es empujado hacia afuera en el momento justo y el rodillo unido al pistón debe seguir la trayectoria curva y fija del anillo. Esto resulta en una rotación del tambor; el tambor está conectado al eje de salida del motor y mueve la carga.
El motor de pistones radiales internos Se puede cambiar el sentido de rotación del motor cambiando la dirección del suministro de aceite a este. El motor de pistones radiales como un motor de rueda
El motor de pistones radiales internos Se puede cambiar el sentido de rotación del motor cambiando la dirección del suministro de aceite a este. El motor de pistones radiales como un motor de rueda
El motor de pistones radiales internos Este motor de pistones radiales tiene un tambor estático y un alojamiento giratorio. Trabaja igual que un motor de pistones radiales de tambor rotatorio El alojamiento giratorio esta unido a una rueda, así que de hecho esta construcción representa una rueda con un motor hidráulico integrado. La animación muestra cómo opera este motor. El tambor con los ocho pistones radiales está fijo; el alojamiento y la válvula central de camisa giran.
El motor de pistones radiales internos La válvula central de camisa se encarga de la distribución del aceite. El pistón es empujado hacia afuera en el momento justo y el rodillo unido a este empuja al alojamiento a un lado debido a la trayectoria curva del anillo.
El motor de pistones radiales internos Esto resulta en la rotación del alojamiento junto con la rueda. La inversión del sentido de rotación se obtiene cambiando la dirección de suministro de aceite al motor.
El motor OSCILANTE El motor oscilante se aplica cuando el eje tiene que girar un ángulo determinado. La animación muestra como trabaja este actuador; en este caso el eje puede girar aproximadamente un ángulo de 270º.
El motor OSCILANTE Este tipo de actuador es, entre otros, usado como un actuador rotativo en grúas y excavadoras(pequeñ as).
Drenaje en un motor ó bomba hidráulicos Drenaje en un motor ó bomba hidráulicos. En motores o bombas hidráulicos siempre hay fugas de aceite desde el lado de presión hacia el alojamiento. Si este aceite no es retirado, se creará una contrapresión dentro del alojamiento, provocando que el sello del eje sea empujado hacia afuera del mismo!
Drenaje en un motor ó bomba hidráulicos Por lo tanto no se deberá exceder la máxima presión recomendada dentro del alojamiento (también 2 bar ó 0.2 MPa). Para prevenir éste problema, las bombas y los motores hidráulicos generalmente están equipados con un puerto de drenaje.
Drenaje en un motor ó bomba Este puerto debe ser hidráulicos conectado directamente al depósito de aceite y la bomba/motor deben ser montados de tal forma que el puerto quede hacia arriba. Esto para asegurar que el alojamiento esté siempre lleno de aceite para propósitos de lubricación y refrigeración. Si la línea de drenaje tiene una capacidad insuficiente, la presión se incrementará y el sello del eje, como se puede ver en la animación, será empujado hacia afuera del alojamiento
La válvula limitadora de presión La válvula limitadora de presión esta montada en el lado de presión de la bomba hidráulica. Su función es limitar la presión en el sistema a un valor adecuado. De hecho la válvula limitadora de presión tiene la misma construcción que una válvula antirretorno de muelle (resorte).
La válvula limitadora de presión Cuando el sistema se sobrecarga la válvula limitadora de presión se abre y el flujo de la bomba se descarga directamente al depósito de aceite. La presión en el sistema permanece en el valor determinado por el resorte de la válvula limitadora de presión!
La válvula limitadora de presión En la válvula limitadora de presión, la presión (=energía) se convertirá en calor. Por esta razón se deberán evitar largos periodos de operación de esta válvula.
La válvula limitadora de presión de mando indirecto La válvula limitadora de presión de mando indirecto es aplicada en sistemas con una cantidad considerable de flujo. Su tarea es limitar la presión en el sistema a un valor aceptable.
La válvula limitadora de presión de mando indirecto Descripción: La válvula piloto esta ajustada a 150 bar. La presión debajo de la válvula principal es igual a la presión arriba de esta, por ejemplo 100 bar (determinada por la carga sobre el motor hidráulico).
La válvula limitadora de presión de mando indirecto El resorte de la válvula principal (de 1 a 5 bar) mantiene la válvula en la posición cerrada. Siempre y cuando la presión en el sistema no alcance la presión máxima (determinada por la válvula piloto), el flujo de la bomba va al motor hidráulico.
La válvula limitadora de presión de mando indirecto Cuando el motor hidráulico es sobrecargado, la presión crece y abre la válvula piloto. A partir de ese momento la presión arriba de la válvula principal estará limitada a 150 bar. Sin embargo, no todo el flujo de la bomba puede ser drenado a través del pequeño estrangulamiento del canal de by-pass
La válvula limitadora de presión de mando indirecto así que la presión debajo de la válvula principal seguirá incrementándose en el valor de la presión debida al resorte (la presión debajo de la válvula principal será 151...155 bar). Entonces la válvula principal se abrirá y la mayor parte del flujo entregado por la bomba será drenado a través de dicha válvula.
La válvula limitadora de presión de mando indirecto La válvula limitadora de presión de mando indirecto también puede ser usada como una válvula de descarga. Normalmente la válvula direccional 2/2 esta activada y la presión de apertura de la válvula principal está determinada por la válvula piloto.
La válvula limitadora de presión de mando indirecto Si la válvula direccional 2/2 NO está activada, la presión en el lado superior de la válvula principal será cero. La presión en el lado inferior de la válvula principal abrirá la válvula principal
La válvula limitadora de presión de mando indirecto la presión necesaria para ello será de 3 bar aproximadamente (casi cero). De ese momento en adelante la mayor parte del caudal de la bomba será drenado al depósito de aceite por la válvula principal.
La válvula direccional Con una válvula direccional se determina la dirección del flujo y por lo tanto la dirección de operación de un motor hidráulico ó cilindro. En la animación usamos la así llamada válvula direccional 4/3; el 4/3 viene de: 4 conexiones y 3 posiciones.
La válvula direccional La carcasa, normalmente hecha de fierro fundido, con 4 líneas de conexión contiene una corredera de acero. Esta corredera, centrada por resortes(muelles), puede alternar su posición dentro de la carcasa.
La válvula direccional En la posición mostrada, la posición media, el puerto P está cerrado así que el flujo de la bomba debe fluir al depósito a través de la válvula limitadora de presión. Esto genera mucho calor y debe ser evitado si es posible.
La válvula direccional Los puertos A y B están cerrados también, así en este caso el cilindro estará enclavado hidráulicamente en su posición. Cambiando la posición de la corredera hacia la izquierda el cilindro realizará su carrera de extensión.
La válvula direccional Entonces el aceite fluye desde al puerto P al A hacia la cámara del pistón, y el aceite de la cámara del vástago del cilindro fluye por el puerto B hacia el puerto T de vuelta al depósito.
La válvula estranguladora Para controlar la velocidad de un motor hidráulico ó un cilindro, se debe controlar el flujo de aceite. En este ejemplo el flujo hacia el cilindro es controlado por una válvula estranguladora simple.
La válvula estranguladora . La presión detrás de la válvula estranguladora está determinada por la carga sobre el cilindro y en este caso es 80 bar. La válvula estranguladora esta ajustada para un flujo de 8 l/min.
La válvula estranguladora La bomba hidráulica entrega 12 l/min así que una parte del flujo bombeado fluye a través de la válvula limitadora de presión de vuelta al depósito.
La válvula estranguladora La presión antes de la válvula estranguladora está determinada por la limitadora de presión, en este caso 120 bar. Las caídas de presión en el estrangulamiento(40 bar) y en la limitadora(120 bar) se transforman en calor.
La válvula estranguladora Este tipo de control de caudal es relativamente barato pero tiene una baja eficiencia energética.
La válvula reguladora de caudal de 2 vías Control de la velocidad de un cilindro hidráulico controlando el flujo de aceite con una válvula reguladora de caudal de 2 vías Para controlar la velocidad de un motor ó cilindro, se tiene que controlar el flujo de aceite hacia estos componentes. Esto se puede obtener con una válvula estranguladora simple. El flujo a través de una válvula estranguladora esta determinado por:
La válvula reguladora de caudal de 2 vías a) El área de estrangulamiento: un área grande significa una mayor cantidad de flujo y b) la caída de presión a través del estrangulamiento: una mayor caída de presión significa un incremento de flujo. El flujo también está determinado por la construcción de la válvula estranguladora y por la viscosidad del fluido, pero estos factores no se toman en cuenta.
La válvula reguladora de caudal de 2 vías En un sistema con una válvula estranguladora, la presión en el lado de la bomba está determinada por la válvula limitadora de presión (vea también válvula estranguladora ). Cuando la caída de presión a través del estrangulamiento decrece como resultado de un incremento en la carga sobre el cilindro, el flujo de aceite y la velocidad del cilindro decrecen también. Si la velocidad debe ser constante e independiente de la carga, entonces se debe usar una válvula reguladora de caudal.
La válvula reguladora de caudal de 2 vías Como funciona? La presión a la salida de la válvula reguladora de caudal está determinada por la carga sobre el cilindro. La carga es de 50 bar y crece a 90 bar cuando se señala la animación con el puntero del mouse. La presión en el lado de la bomba esta limitada por la válvula limitadora de presión a 120 bar.
La válvula reguladora de caudal de 2 vías La válvula reguladora de caudal está ajustada para 10 l/min. La bomba entrega 12 l/min: esto significa que un flujo de 2 l/min fluye a través de la válvula de control de presión de vuelta al depósito de aceite. La válvula reguladora de caudal, de hecho tiene dos partes: una válvula estranguladora (válvula de aguja) y una válvula reductora de presión o compensador de presión. El flujo deseado se ajusta con la válvula de aguja.
La válvula reguladora de caudal de 2 vías El compensador de presión, con su corredera cargada por resorte; a la izquierda mide la presión en la entrada de la válvula de aguja (p2). En el lado derecho de la corredera, la presión de la carga (p3) y la del resorte empujan la corredera hacia la izquierda. La presión del resorte es de 8 bar. La corredera encuentra su balance cuando: p2 = p3 + presorte ==> p2 - p3 = presorte y debido al hecho de que presorte constante (8 bar) el compensador de presión mantiene la caída de presión a través de la válvula de aguja en un valor constante de 8 bar.
La válvula reguladora de caudal de 2 vías Esto significa que el flujo a través de la válvula de aguja se mantiene constante! Cuando la carga aumenta, la presión p3 aumenta y la corredera está fuera de balance y es empujada hacia la izquierda. La presión p2 crecerá también y la corredera encontrará su balance de nuevo. La caída de presión a través de la válvula de aguja sigue siendo 8 bar así que el caudal se mantiene en 10 l/min y por lo tanto la velocidad del cilindro se mantiene constante e independiente de la carga!!
La válvula reguladora de caudal de 2 vías
La válvula limitadora de presión en el circuito de un motor El diagrama muestra el circuito de un motor hidráulico; el sentido de rotación del motor esta determinado por la posición de la válvula direccional 4/3 . En la posición central de la válvula todos los puertos están cerrados. Después de activar el lado izquierdo de la válvula, el motor hidráulico empieza a girar en la dirección indicada.
La válvula limitadora de presión en el circuito de un motor Generalmente en los sistemas hidráulicos el momento de inercia de la carga impulsada es de un nivel considerable, así que, en el momento en que se activa la posición central de la válvula 4/3, el motor actuará como una bomba movido por la carga.
La válvula limitadora de presión en el circuito de un motor Esto ocasionará un gran incremento de la presión en el lado derecho del motor hidráulico y si no hubiese una válvula de seguridad, los componentes más débiles del sistema fallarían ó reventarían! En este sistema por el contrario la válvula limitadora de presión se abrirá y el aceite fluirá de vuelta hacia el lado izquierdo del motor.
La válvula limitadora de presión en el circuito de un motor Debido a la presión en el lado derecho del motor la velocidad de rotación de este disminuirá hasta 0 rpm. El motor hidráulico tiene una línea externa de fugas, así que parte del aceite del circuito desaparece a la larga. Esto podría causar cavitación en el lado izquierdo del motor.
La válvula limitadora de presión en el circuito de un motor En este sistema, sin embargo, el sistema está protegido contra la cavitación por las válvulas antirretorno) (válvulas de succión). El diagrama en esta página es un diagrama básico para la mayoría de circuitos de motores.
La válvula antirretorno pilotada Una válvula antirretorno pilotada se usa para mantener una parte del sistema libre de fugas internas, por ejemplo un cilindro hidráulico ó un motor. Un muy buen ejemplo es la aplicación de la válvula antirretorno pilotada en el cilindro apoyo de una grúa. El cilindro está conectado al puerto B de la válvula antirretorno.
La válvula antirretorno pilotada Cuando se entrega aceite al puerto A, el aceite puede fluir libremente hacia el puerto B y al cilindro. Cuando el patín tiene que ser retraído, se suministra aceite hacia la cámara del vástago del cilindro. La presión en el lado del vástago es usada como presión piloto en el puerto Z para abrir la válvula antiretorno.
La válvula antirretorno pilotada Ahora el aceite puede fluir de vuelta desde B hacia A. La presión en el puerto Z necesaria para abrir la válvula antiretorno contra la presión del cilindro detrás de la válvula principal es de aproximadamente 1/3 a 1/10 de la presión del cilindro ( llamado rango de apertura).
La válvula de contrabalance De hecho una válvula de contrabalance es una válvula antirretorno pilotada mejorada. La mayor y más importante diferencia entre estas dos válvulas es que: -la presión de apertura de una válvula antirretorno pilotada depende de la presión (aplicada por la carga) detrás de la válvula; -la presión de apertura de una válvula de contrabalance depende de la presión del resorte detrás de la válvula.
La válvula de contrabalance El desempeño dinámico de una válvula de balance es muchas veces mejor que el desempeño dinámico de una válvula antirretorno pilotada. La válvula de balance se aplica como una 'válvula de freno' en sistemas de grúas relativamente pequeñas para obtener un control positivo en un cilindro o motor hidráulicos con una carga negativa.
La válvula de contrabalance Funcionamiento (ver diagrama): Cuando se activa el lado izquierdo de la válvula direccional 4/3 el cilindro hará su 'carrera de salida'. El aceite fluye a través de la válvula antirretorno que está integrada en la carcasa de de la válvula de balance. Para bajar el cilindro se tiene que activar el lado derecho de la válvula 4/3. Desde ese momento en adelante la presión aumenta en el lado del vástago del cilindro.
La válvula de contrabalance Esta presión abre la válvula de balance y el aceite del lado del pistón fluye a través de la válvula de balance y de la válvula direccional de vuelta al depósito. Como la carga ayuda a bajar al pistón-vástago, este podría bajar más rápido de lo que el aceite es suministrado al lado del vástago del cilindro (el cilindro no esta bajo control en ese momento).
La válvula de contrabalance Sin embargo, la presión en el lado del vástago y por lo tanto la presión piloto en la válvula de balance disminuirían y el resorte cerraría la válvula de balance, hasta que encuentre un nuevo 'balance'. Cuando la válvula direccional es puesta repentinamente en su posición central mientras el cilindro cargado estaba bajando, la válvula de contrabalance se cierra inmediatamente.
La válvula de contrabalance Esto causará un incremento de presión en el lado del pistón del cilindro. Sin embargo, la válvula de contrabalance se abrirá y ajustará la presión y así protegerá al cilindro contra una sobrepresión!.
El acumulador Cuando el sistema necesita un caudal considerable por un periodo corto cuando el sistema ó una parte de este tiene que permanecer bajo presión; para acumular picos de presión ó vibraciones de presión ; como un elemento de amortiguación.
El acumulador En los sistemas hidráulicos se usan los siguientes tipos de acumuladores:
El acumulador de pistón; animación (para suministrar aceite; acumulador relativamente lento debido a la fricción entre el pistón y el cilindro) el acumulador de vejiga (para suministrar aceite; acumulador rápido) el acumulador de diafragma (elemento de amortiguación; compensador de presión)
El acumulador Este ejemplo explica el funcionamiento del acumulador de pistón (animación); el funcionamiento de los otros tipos es similar a este. En el lado del pistón el acumulador el llenado con nitrógeno gaseoso. La presión del gas debe tener cierto valor, en este caso 80 bar (8 Mpa). Esta presión, predeterminada por el fabricante del sistema, tiene que ser comprobada cuando no haya aceite en el otro lado del pistón.
El acumulador En el momento en que el acumulador es llenado con aceite, la presión en el lado del aceite crece de inmediato hasta el nivel de la presión del gas. Puede ver esto en la animación. Para un funcionamiento adecuado del sistema, la presión del gas debe tener el valor correcto. Los fabricantes recomiendan cada cuánto tiempo se debe comprobar la presión.
El acumulador Cuidado: Los acumuladores almacenan energía hidráulica y por lo tanto pueden ser muy peligrosos, especialmente cuando no se está familiarizado con el sistema y los acumuladores!! Cuando repare ó modifique un sistema hidráulico asegúrese de que el acumulador esté drenado y proceda al corte como sugiere el fabricante!
El cilindro con amortiguación de fin de carrera Cuando se alcanza el fin de la carrera el pistón y el vástago son desacelerados hasta la parada. La energía cinética resultante de esto, debe ser absorbida por un tope final, la cabeza del cilindro ó la tapa del cilindro. La capacidad de absorber esta energía depende del límite elástico del material.
El cilindro con amortiguación de fin de carrera Si la energía cinética excede este límite, el cilindro necesita un amortiguamiento externo ó interno. En este ejemplo usamos un amortiguamiento interno. Cuando el pistón con el buje amortiguador ingresa al agujero en la tapa del cilindro, el fluido debe escapar desde la cámara del pistón a través de una válvula estranguladora variable. Este estrangulamiento regula el grado de amortiguación
El sistema de lazo cerrado con la bomba principal en cilindrada cero
El sistema de lazo cerrado con la bomba principal activada
Cavitación Un fenómeno indeseable en un sistema hidráulico es la cavitación. La mayoría de las veces la cavitación ocurre en la parte de succión del sistema. Cuando ocurre cavitación, la presión del fluido decrece a un nivel por debajo de la presión ambiental formando así vacíos en el fluido.
Cavitación Cuando la presión se incrementa, por ejemplo en la bomba, estos vacíos implosionan. Durante esta implosión la presión se incrementa tremendamente y la temperatura alcanza aproximadamente los 1100ºC. La alta presión junto con la alta temperatura, causan mucho daño a los componentes hidráulicos. Una bomba cavitante podría deteriorarse por completo en algunas horas y los cuerpos del desgaste podrían causar daño al sistema.
Cavitación La cavitacion puede ser causada por: Aceleración del flujo de aceite después de un estrangulamiento ó cuando al aceite contiene agua o aire Alta temperatura del fluido Una resistencia hidráulica en la parte de succión del sistema
Cavitación Diámetro muy pequeño de la línea de succión Una manguera de succión con el interior dañado Un filtro de succión obstruido con suciedad(animación) Alta viscosidad del aceite Ventilación insuficiente del depósito de aceite
Compresibilidad de los fluidos Muchas personas piensan que un fluido es incompresible. Sin embargo, los fluidos son como cualquier material, compresibles en cierta medida. Para cálculos: el grado de compresibilidad de un fluido es considerado el 1% del volumen por cada 100 bar. Esto significa que por ejemplo, cuando se agrega aceite a un barril de 200 litros que ya está completamente lleno, la presión aumentará en 100 bar por cada 2 litros de aceite adicional.
Compresibilidad de los fluidos Cuando se aumentan 3 litros, el incremento de presión será de 150 bar. La compresibilidad de un fluido juega un papel muy importante en, por ejemplo, sistemas hidráulicos rápidos como los servo-sistemas de un simulador de vuelo. Para obtener un desempeño dinámico máximo, la compresibilidad debe ser la menor posible. Esto se obtiene montando las válvulas de control directamente sobre el motor ó cilindro hidráulico. En tal caso la cantidad de fluido entre la válvula de control y al actuador es la menor.
Compresibilidad de los fluidos Calcular para un deposito de 140 litros: Si se adicionan 5 litros¿cuál es aumento de la presión? Si la presión aumento en 180 bar¿qué cantidad de liquido se adiciono? ¿cuál es la presión final si en adicionar 3 litros, si la presion normal era de 150 bar?
Como se crea la presión en un circuito hidráulico 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.
Derivaciones de caudal Una característica inherente a los líquidos, es que siempre toman el camino de menor resistencia. Asi pues, cuando las derivaciones ofrecen resistencias diferentes, la presi6n aumenta solamente en la cantidad requerida para circular por el camino de menos resistencia
Derivaciones de caudal 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.
Circulación de caudal en serie Cuando las resistencias al caudal están conectadas en serie, las presiones se suman.
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 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.
Velocidad de un actuador La velocidad de desplazamiento del vástago de un cilindro o de giro de un motor depende de su tamaño y del caudal que se le envía. Para relacionar el caudal con la velocidad, consideremos el volumen que requiere el actuador para obtener un desplazamiento determinado.
Velocidad de un actuador La relación entre estas magnitudes puede expresarse como sigue:
Velocidad de un actuador
Volumen/tiempo=velocidad*superficie S=centímetros cuadrados V= centímetros/minuto Según esto, podemos sacar las siguientes conclusiones: que la fuerza o par de un actuador es directamente proporcional a la presi6n e independiente del caudal Que su velocidad depende del caudal que reciba. ,con independencia de la presión.
Velocidad en las tuberías A este respecto, hay que observar que: La velocidad a que circula el fluido hidráulico a través de las líneas es una consideraci6n 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.
Velocidad en las tuberías 1- La velocidad del aceite varia inversamente al cuadrado del diámetro interior del tubo. 2- Generalmente el rozamiento de un liquido 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. El rozamiento origina turbulencia en la corriente de aceite y opone resistencia al caudal, lo que da como resultado un aumento 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.
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/mm. y la velocidad deseada, se utiliza esta relación para hallar la secci6n interior: Cuando se tiene el caudal en 1/mm y el diámetro de la tubería, se utiliza esta relación para hallar cual será la velocidad final:
Selección del diámetro de tubería Calcular diámetro de tubería de caudal 20 l/s Y una velocidad de 50 cm/ Calcular diametros de cañeria , si de sea desplazar un volumen de 2000 litros en 1 hora, a una velocidad de 7 m/s
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 lo 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 consideraci6n con que velocidad se realiza dicho trabajo. El trabajo realizado por unidad de tiempo se denomina potencia.
Trabajo y 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.
Trabajo y potencia 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. 1 hp = 746 W (potencia eléctrica) 1 hp - 176,6 cal/seg (potencia calorífica) Evidentemente es deseable poder transformar la potencia hidráulica en potencia mecánica y conocer su equivalente mecánico , eléctrico y calorífico.
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:
Potencia en un sistema hidráulico Para expresar esta relación en unidades, hacemos lo siguiente:
Potencia en un sistema hidráulico Así:
Potencia en un sistema hidráulico
Esta fórmula corresponde a la potencia hidráulica a la salida de la bomba. La potencia requerida para accionaría ser 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:
Potencia y par De forma equivalente podríamos deducir que:
Diseño de un sistema hidráulico sencillo A partir de la información dada es posible diseñar un circuito hidráulico sencillo . Se indica a continuación la forma en que se debe proceder para hacerlo 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.
Diseño de un sistema hidráulico sencillo 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 seria, 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.
Diseño de un sistema hidráulico sencillo Supongamos que un peso de 4000 Kp ha de elevarse. a una altura de 1 metro y que la presi6n máxima de funcionamiento debe limitarse a 50 Kp/cm2 El cilindro seleccionado tendría una longitud de carrera de, por lo me nos, 1 metro, y con una superficie de pist6n de 80 cm2 proporcionaría una fuerza máxima de 4000 Kp. Esto, sin embargo, no prevé ningún margen de error. Una mejor selecci6n seria un cilindro de 100 cm2 que permitiría levantar la carga a 50 Kp/cm2 proporcionando una capacidad de elevación de hasta 5000 Kp.
Diseño de un sistema hidráulico sencillo El desplazamiento hacia arriba y hacia abajo del cilindro seria controlado mediante una válvula direccional. Si la carga debe detenerse en puntos intermedios de su trayecto, la válvula direccional deber tener una posici6n 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.
Diseño de un sistema hidráulico sencillo 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/mm. Como las bombas generalmente se dimensionan en galones por minuto , será necesario dividir 60/3,765 para obtener el valor en galones por minuto; 60/3,785 = 16 gpm.
Diseño de un sistema hidráulico sencillo La potencia necesaria para accionar la bomba depende de su caudal y de la presi6n a la cual funciona. La fórmula siguiente determina el tamaño del motor eléctrico requerido, suponiendo un rendimiento medio del 80 %
Diseño de un sistema hidráulico sencillo 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.
Como se mide el caudal Existen dos maneras de medir el caudal de un liquido: Velocidad. Es la velocidad media de las partículas del liquido en un punto determinado a la distancia media que las partículas recorren por unidad de tiempo. Se mide en metros por segundo o en metros por minuto. Caudal. Es la cantidad de liquido que pasa por un punto, por unidad de tiempo. Los caudales grandes se miden en litros por minuto. Los caudales pequeños pueden expresarse en cm3/minuto.
Caudal y velocidad La velocidad de un actuador hidráulico, depende siempre del tamaño del actuador y del caudal que actúa sobre él. Como el volumen de un actuador se expresa generalmente en litros, hay que tener en cuenta que: 1 1/mm = 1 dm3/min = 1000 cm3/ min
Régimen laminar y turbulento Idealmente, cuando las partículas de un liquido circulan por una tubería se mueven según trayectorias rectas y paralelas. Este régimen se denomina laminar y se produce a baja velocidad, en tuberías rectas. Con régimen laminar el rozamiento es menor. Cuando las trayectorias de las partículas no son paralelas y se cruzan, el régimen se denomina turbulento.
Régimen laminar y turbulento El régimen turbulento se origina por cambios bruscos en la dirección o en la sección, o por una velocidad demasiado elevada. El resultado es un rozamiento mucho mayor que origina calentamiento, aumenta la presión de trabajo y malgasta potencia
Teorema de Bernoulli El fluido hidráulico, en un sistema que trabaja, contiene energía bajo tres formas: energía cinética que depende de la velocidad y masa del fluido, energía potencial que depende de su posición,' y energía de presión que depende de su compresión. Daniel Bernoulli, un científico suizo, demostró que, en un sistema con caudal constante, la energía se transforma de una forma u otra cada vez que se modifica el área de la sección transversal de la tubería.
Teorema de Bernoulli El principio de Bernoulli afirma que la suma de las energías cinética, potencial y de presión, en distintos puntos del sistema, debe ser constante. Al variar el diámetro de la tubería la velocidad cambia.
Teorema de Bernoulli Así pues, la energía cinética aumenta o disminuye. Ahora bien, la energía no puede crearse ni destruirse. Por lo tanto la variación de energía cinética debe ser compensada por un aumento o disminución de la energía de compresión, es decir, de la presión.
Teorema de Bernoulli La utilización de un tubo de Venturí en el carburador de un automóvil , es un ejemplo familiar del teorema de Bernoulli. La presión del aire, que pasa a través del cuerpo del carburador, disminuye cuando pasa por un estrangulamiento. La disminución de presión permite que fluya la gasolina, se vaporice y se mezcle con la corriente de aire.
