Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Azcapotzalco
Introducción a Sistemas Automáticos Roman Mondragon Isaac Fabián (Alumno)
2014361332 (Boleta)
7MV4 (Grupo)
Ortiz Zúñiga Juan Jaime (Profesor)
Sistemas Hidráulicos de Potencia
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Índice
Introducció Intro ducción n .................................. ................. .................................. ................................... ................................... ................................... .................................... ........................ ...... 3
Componentes Compon entes ................................... .................. .................................. ................................... ................................... ................................... .................................... ..................... ... 3
Aceites Aceit es utilizados utilizado s y sus normas .................................. ................. .................................. ................................... .................................... ............................ .......... 11
Acumuladores Acumul adores .................................. ................. .................................. ................................... ................................... ................................... .................................... .................... 15
Simbología Simbolo gía .................................. ................. .................................. ................................... ................................... ................................... .................................... ......................... ....... 16
Válvulas, Válvula s, tipos descripción, descrip ción, normas ................................. ............... ................................... ................................... .................................... ...................... .... 20
Elementos de trabajo (actuadores).................. ........................... .................. ................... ................... .................. .................. .................. .................. ......... 21
Estructura para diseño de sistemas neumáticos e hidráulicos hidráulicos ................... ............................ .................. .................. ............ ... 24
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El uso de la hidráulica ha ampliado su significado para incluir el comportamiento de todos los líquidos, aunque se refiera sobre todo al movimiento de líquidos. La hidráulica incluye la manera de la cual los líquidos actúan en los tanques y las c añerías, se ocupa de sus características, y explora maneras de aprovechar las mismas. Hoy el término hidráulica se emplea para referirse a la transmisión y control de fuerzas y movimientos por medio de líquidos, es decir, se utilizan los líquidos para la transmisión de energía, en la mayoría de los casos se trata de aceites minerales, pero también pueden emplearse otros fluidos, como líquidos sintéticos, agua o una emulsión agua-aceite. La potencia fluida es un término que fue cr eado para incluir la generación, control, y el uso de la energía en forma continua y eficaz de fluidos bombeados o comprimidos (líquidos o gases) cuando se utiliza esta energía para proporcionar la fuerza y el movimiento a los mecanismos. Esta fuerza y movimiento puede estar en forma de empuje, tracción, rotación, regulación, o conducción. La potencia fluida incluye la hidráulica, que se relaciona con los líquidos, y la neumática, que se relaciona con los gases. Los líquidos y los gases son similares en muchos aspectos.
Los principales componentes de un sistema hidráulico son : 1.-Bomba 2.-Valvulas 3.-Actuadores 4.-Válvula de seguridad 5.-Filtros 6.-Motor 7.-Depósito
Bomba Una bomba hidráulica es una máquina hidráulica que transforma la energía mecánica con la que es accionada en energía del fluido incompresible que mueve. La principal clasificación de las bombas según el funcionamiento en que se base:
Bombas de desplazamiento positivo o volumétricas , en las que el principio de funcionamiento está basado en la hidrostática, de modo que el aumento de presión se realiza por el empuje de las paredes de las cámaras que varían su volumen. En este tipo de bombas, en cada ciclo el ór gano propulsor genera de manera positiva un volumen dado o cilindrada, por lo que tambi én se denominan bombas volumétricas. En caso de poder variar el volumen máximo de la c ilindrada se habla de bombas de volumen variable. Si ese volumen no se puede variar, entonces se dice que la bomba es de volumen fijo. Bombas rotodinámicas, en las que el principio de funcionamiento está basado en el intercambio de cantidad de movimiento entre la máquina y el fluido, aplicando la hidrodinámica. En este tipo
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de bombas hay uno o varios rodetes con álabes que g iran generando un campo de presiones en el fluido. En este tipo de máquinas el flujo del fluido es continuo.
Válvulas Las válvulas, como elementos de regulación, de control y mando de la circulación del fluido hidráulico por el interior del circuito, pueden ser de diversos tipos: válvulas controladoras de presión, de caudal, válvulas direccionales o distribuidoras, válvulas de bloqueo o válvulas de cierre. Las válvulas de presión actúan cuando la presión del fluido en el interior del circuito alcanza un cierto valor, llamado también valor de tarado. Según su función las válvulas de presión se clasifican en: •
- Válvulas de seguridad: este tipo de válvulas protegen al circuito de sobrepresiones. Son válvulas normalmente cerradas, que cuando se alcance una presión límite se activan y descargan el fluido.
Figura 15. Posición de Válvula de Seguridad
- Válvula de compensación de carga: este tipo de válvulas se utilizan para mantener una presión mínima aguas arriba, evitándose así que se pueda producir un fenómeno de embalamiento por ausencia de una resistencia en el circuito, por ejemplo, en la bajada de los pistones que elevan la caja de carga de un camión volquete-basculante.
Figura 16. Posición de Válvula de Compensación
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Válvulas de caudal que limitan el caudal máximo que circula por el circuito, derivando el exceso de caudal al tanque de retorno. Válvulas direccionales que distribuyen el flujo dentro del circuito hidráulico. Las hay de varios tipos: •
•
- Válvulas antirretorno: que permiten el paso del fluido en un sentido y lo impiden en el contrario. - Válvulas distribuidoras, que pueden ser correderas o rotativas. En las válvulas correderas las conexiones se suelen denominar: P, para la línea de presión; T, la de retorno a tanque; A,B..., las distintas líneas a actuadores, como se muestra e n la figura siguiente.
Figura 17. Válvula distribuidora de cuatro vías y dos posiciones
Actuadores Los actuadores hidráulicos son aquellos que utilizan un fluido a presión, generalmente un tipo de aceite, para que el robot pueda movilizar sus mecanismos. Los actuadores hidráulicos se utilizan para robots grandes, los cuales presentan mayor velocidad y mayor resistencia mecánica.
Características.
Funcionamiento similar a los neumáticos. EL grado de compresibilidad del aceite es mucho menor al del aire lo que implica una mayor precisión. Realiza elevadas fuerzas y pares de hasta 200kg. El mantenimiento es muy sencillo y no precisan de refrigeración para su correcto funcionamiento. Buena repetitividad entre los (2.3 y 0.2 mm).
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Funcionamiento y tipos. La presión es aplicada de la misma manera que la neumática en un émbolo que se encuentra dentro de un compartimiento hermético. Este se encuentra acoplado mecánicamente a un vástago que se mueve linealmente de acuerdo a la pre sión aplicada. Los actuadores hidráulicos pueden ser cilindros o motores:
Cilindros: Igual que en los actuadores neumáticos. Sin embargo, existe una diferencia fundamental entre el cilindro hidráulico y el neumático, y es que en un cilindro del mismo tamaño el hidráulico produce una mayor fuerza que el neumático. Motores de alertas rotativas: - Elevado par de arranque y rendimiento (90%). - Son relativamente baratos. Motores de pistones: - Su cilindrada es muy variable. - Construcción bastante compleja.
Válvula de seguridad Las válvulas de alivio de presión, también llamadas válvulas de seguridad o válvulas de alivio (son elementos distintos, favor revisar norma ASME de elementos de sobrepresión para recipientes) , están diseñadas para aliviar la presión cuando un fluido supera un límite preestablecido (presión de tarado). Su misión es evitar la explosión del sistema prot egido o el fallo de un equipo o tubería por un exceso de presión. Existen también las válvulas que alivian la presión de un fluido cuando la temperatura (y por lo tanto, la presión) supera un límite establecido Por el fabricante.
Filtros Un filtro hidráulico es el componente principal del sistema de filtración de una máquina hidráulica, de lubricación o de engrase. Estos sistemas se emplean para el control de la contaminación por partículas sólidas de origen externo y las gener adas internamente por procesos de desgaste o de erosión de las superficies de la maquinaria, permitiendo preservar la vida útil tanto de los componentes del equipo como del fluido hidráulico. 6
En la siguiente tabla se recogen los distintos gr ados de filtración exigidos, según la aplicación del sistema hidráulico.
Grados de Filtración, en µm
Tipo de Sistema Hidráulico
1-2
Para impurezas finas en sistemas altamente sensibles con gran fiabilidad, preferentemente en aviación y laboratorios.
2-5
Para sistemas de mando y control sensibles y de alta presión, con aplicaciones frecuentes en la aviación, robots industriales y máquinas herramientas.
5-10
Para sistemas hidráulicos de alta calidad y fiabilidad, con previsible larga vida útil de sus componentes.
10-20 15-25 20-40
Para hidráulica general y sistemas hidráulicos móviles, que manejen presiones medianas y tamaños intermedios. Para sistemas de baja presión en la industria pesada o para sistemas de vida útil limitada. Para sistemas de baja presión con holguras grandes. Tabla 4. Grados de filtración y aplicaciones
Cualquier filtro estará compuesto de una carcasa exterior o envolvente, que contendrá en su interior el material filtrante. Adicionalmente, dispondrá de una válvula de by-pass, tipo antirretorno, que se abrirá cuando el material filtrante esté colmado, de manera que permita un by-pass o paso del flujo del fluido hidráulico evitando así que el circuito se colpase por culpa del atasco en el filtro.
Figura 4. Esquema y símbolo de filtro hidráulico
Un filtro puede ocupar diversas posiciones dentro del circuito hidráulico, ofreciendo prestaciones muy diversas según se explica a continuación: Filtro situado en la aspiración de la bomba: es la mejor posición si lo que se pretende es proteger a la bomba. No obstante, aumenta el riesgo que se produzca cavitación en su aspiración debido a la pérdida de carga que se origina en el fluido por su paso por el filtro. Por ello, si se coloca el filtro en esta posición, éste debe ser de un tipo que ofrezca poca pérdida de carga localizada, como puedan ser los de tipo de mallas metálicas y los filtros de superficie con huecos de tamaño grande. Evidentemente, esto se traduce que e l grado de filtración conseguida no sea muy buena. •
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El tamaño de las partículas filtradas colocando el filtro en esta posición son relativamente grandes, encontrándose en el rango de los 50 a 100 µm.
Figura 5. Filtrado en la aspiración
Filtro situado en el conducto de impulsión: dada su situación, en la salida de la bomba, se sitúa en la línea de alta presión. Esto condiciona que los filtros así situados requieran de una mayor robustez. No obstante, en esta posición se consiguen filtrados más exigentes, estando el tamaño de las partículas retenidas en el r ango de los 10 a 25 µm. •
Figura 6. Filtrado en la impulsión
Filtro en el circuito de retorno al depósito: a diferencia de los casos anteriores, colocando el filtro en la tubería de retorno al depósito se evitan los problemas de resistencia a la presión, o los riesgos de cavitación en la aspiración de la bomba. Para esta posición, el tamaño de las partículas que se consigue filtrar se encuentra entre 25 y 30 µm. •
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Figura 7. Filtrado en el retorno
Filtro situado en circuito independiente: Para circuitos con altas exigencias, el filtro se puede situar en un circuito independiente que también realice labores de refrigeración del fluido hidráulico. •
Figura 8. Filtrado en circuito independiente
A continuación, se incluye una tabla donde se indican los grados de filtración y la posición recomendada para situar el filtro, según el tipo de componente o elemento hidráulico considerado.
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Elemento hidráulico
Posición recomendada del filtro
Grado de filtración, en µm
Línea de retorno y/o línea de presión
≤ 25
Línea de baja presión
≤ 25
Bomba de émbolos axiales Bombas de engranajes y émbolos Línea de retorno radiales
≤ 63
Válvulas distribuidoras, de presión, de caudal y cierre; Línea de aspiración cilindros
≤ 63
Motores hidráulicos
≤ 25
Línea de retorno Tabla 5. Grados de filtración y posiciones del filtro
Motor Es el dispositivo que permite mover el Eje y a su vez el impulsor para que el fluido pueda pasar de un lado a otro. Dependiendo de la potencia del mismo, podrá movilizar más agua e n el menor tiempo posible. El motor puede contener otras piezas espec iales, como ventilador, bobina, imanes, etc.
Depósito
El depósito o también llamado tanque hidráulico, cumple con varias funciones: - Además de servir, como uso más inmediato, de dispositivo por donde se realiza el llenado y vaciado de fluido hidráulico, sirve también como depósito pulmón desde donde se realiza la aspiración por parte de la bomba. - Sirve también como elemento disipador de calor a través de las paredes del tanque, refrigerando así el aceite contenido en su interior. Para ello, es necesario que el aceite tenga un tiempo de residencia mínimo en el interior del tanque de al menos 1 ó 2 minutos. Así en función del caudal de la bomba, se podría diseñar el volumen del tanque. En efecto, para una bomba con un caudal de diseño, por ejemplo, de 10 l/min, haría falta un tanque con capacidad de al menos 20 litros. - Al servir como depósito de remanso del aceite, se usa también para la deposición en el fondo de partículas y contaminantes que se puedan arrastrar del circuito hidráulico, evitándose así que vuelvan a recircular. - Además, para aumentar el tiempo de residencia del aceite en el tanque, se colocan en su interior unos deflectores que sirven para dirigir la circulación del aceite por el interior del tanque. Con ello se consigue mayor tiempo de estancia del aceite en el depósito, y da lugar para que los
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contaminantes se depositen en el fondo del tanque, además de favorecer la evaporación del agua que pueda contener el aceite disuelto y la separación del aire.
Para un circuito hidráulico se pueden fabricar dos tipos de tanques: presurizados y ventilados. Los presurizados están sellados, evitándose así que penetre la suciedad y la humedad en su interior. La presión interna que se genera a medida que se calienta el fluido hidráulico también sirve para empujar el aceite hacia la bomba, evitando que se produzca la cavitación de la misma. No obstante, como medida de seguridad se debe instalar una válvula hidráulica de alivio, que se utiliza para evitar que se pueda alcanzar un exceso de presión a medida que el aceite se calienta, y que pudiera exceder la seguridad del tanque. Por otro lado, los tanques ventilados, al estar abiertos a la atmósfera, permiten que haya compensación de presión cuando se producen cambios en los niveles o en la temperatura del aceite, y no necesitan de válvula de alivio. Se adjunta la simbología ISO de los tanques hidráulicos, según el tipo:
Figura 3. Esquema de representación de un tanque hidráulico
Para que un fluido pueda ser empleado como líquido del circuito de un sistema hidráulico, éste deberá presentar las siguientes propiedades: Ser un fluido incompresible para un rango amplio de presiones; Ofrecer una buena capacidad de lubricación en metales y gomas;
• •
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Buena viscosidad con un alto punto de ebullición y bajo punto de congelación (el rango de trabajo debe oscilar entre -70ºC hasta +80ºC); Presentar un punto de autoignición superior, al me nos a los 100ºC; No ser inflamable; Ser químicamente inerte y no corrosivo; Ser un buen disipador de calor, al funcionar también como refrigerante del sistema; Presentar buenas condiciones en cuanto a su almacenamiento y manipulación. •
• • • • •
Los fluidos hidráulicos presentes en el mercado se pueden agrupar, en general, en tres grandes grupos:
1- Fluidos sintéticos de base acuosa: son resistentes a la inflamación. A su vez, se subdividen en dos tipos: •
- Emulsiones de agua y aceite. En este tipo de fluidos, además del aceite de base mineral emulsionable se emplean aditivos que le confieren propiedades antioxidantes, antidesgaste, etc. - Soluciones de agua-glicol. Mezclas de 40% glicol y 60% agua, más aditivos especiales.
2- Fluidos sintéticos no acuosos: son compuestos sintéticos orgánicos (fosfatos ésteres simples o clorados, hidrocarburos clorados y silicatos ésteres). Son caros, pero presentan un punto de inflamación muy alto. 3- Aceites minerales o sintéticos: son hidrocarburos extraídos del petróleo a los que se le añaden aditivos químicos, que les confiere unas buenas prestaciones a un coste relativamente bajo. Son los más usados comercialmente. •
•
La forma de denominar a los fluidos hidráulicos está regulada según la norma DIN 51524 y 51525. Así, los fluidos hidráulicos siguiendo esta normativa se denominan todos con la letra H a la que se le añaden otras letras, para indicar el tipo de aditivos o propiedades del fluido. A continuación, se muestra la designación de los fluidos hidráulicos según su tipo: Aceites minerales o sintéticos: - HH: si se trata de un aceite mineral sin aditivos; - HL: si se trata de un aceite mineral con propiedades antioxidantes y anticorrosivas; - HP (ó HLP): aceite tipo HL con aditivos que mejor an la resistencia a cargas; - HM (ó HLM): aceite mineral tipo HL que incluye además aditivos antidesgaste; - HV: aceite tipo HM que además incorpora aditivos que mejoran su índice de viscosidad. •
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En ocasiones, a las siglas anteriores se les agrega un número que indica el c oeficiente de viscosidad según DIN 51517 (clasificación de viscosidad según ISO). Ejemplo, HLP 68, que indica: H: se trata de aceite hidráulico; L: con aditivos para protección anticorrosivas, con propiedades antioxidantes; P: posee aditivos que mejora la carga; 68: código de viscosidad, según DIN 51517. Fluidos sintéticos de base acuosa: - HFA: emulsión de aceite en agua (c ontenido de agua: 80-98%); - HFB: emulsión de agua en aceite (contenido de agua: 40%); - HFC: solución de poliglicoles (contenido de agua: 35-55%); - HFD: líquidos anhídricos (contenido de agua: 0-0,1%). •
Fluidos sintéticos no acuosos: - HFD-R: aceite a base de esterfosfatos; - HFD-S: aceite a base de hidrocarburos halogenados; - HFD-T: aceite a base de mezcla de los anteriores. •
Por otro lado, la propiedad que más distingue un fluido hidráulico de otro es la medida de su viscosidad. La norma DIN 51524 define los siguientes grados para la llamada viscosidad cinemática, según la tabla siguiente:
ISO Grados de viscosidad
Viscosidad cinemática (mm2/s) a 40 ºC Mín.
Máx.
ISO VG 10
9,0
11,0
ISO VG 22
19,8
24,2
ISO VG 32
28,8
35,2
ISO VG 46
41,4
50,6
ISO VG 68
61,2
74,8
ISP VG 100
90,0
110,0
Tabla 1. Grados de viscosidad ISO
Decir que la viscosidad cinemática es el cociente entre la viscosidad absoluta y la densidad del fluido. En el S.I. su unidad es el m2 /s, mientras que en el sistema C.G.S. su unidad es el cm2 /s, que se denomina stokes (St ). Por otro lado, la unidad en el S.I. de la viscosidad dinámica o absoluta es el kg/(m·s) ó Pa·s. En el sistema C.G.S., la unidad de la viscosidad absoluta es g/(cm·s), que se denomina poise (P).
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La viscosidad del aceite lubricante se expresa con un número SAE, definido por la Society of Automotive Engineers. Los números SAE están definidos como: 5W, 10W, 20W, 30W, 40W, etc. En la siguiente tabla se indica la correlación SAE-ISO:
Tabla 2. Correlación entre grados de viscosidad SAE-ISO
Todos los aceites lubricantes se adelgazan cuando su temperatura aumenta y por el contrario, se espesan cuando su temperatura disminuye. Si la viscosidad de un aceite lubricante es muy baja, habrá un excesivo escape por las juntas y los sellos. Si la viscosidad del aceite lubricante es muy alta, el aceite tiende a "pegarse" y se necesitará mayor fuerza para bombear lo a través del sistema. Se adjunta una tabla con los rangos permitidos de viscosidad para los fluidos hidráulicos.
Viscosidad cinemática (mm2/s) Límite inferior
10
Rango ideal de viscosidad
de 15 a 100
Límite superior
750
Tabla 3. Rango de valores de la viscosidad cinemática
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Un acumulador es un tubo de acero con tapas toriesféricas, con un separador de fases (nitrógenoaceite hidráulico), capaz de almacenar una cierta cantidad de fluido a presión para auxiliar al circuito hidráulico, normalmente se comprime un gas inerte c omo el nitrógeno ( nunca aire u oxígeno), el mismo transferirá la presión y e l caudal acumulado al circuito hidráulico , cuando el circuito lo requiera. Las aplicaciones son: 1. Restituir. Compensar pequeñas pérdidas de fluido en el circuito. 2. Contra dilatación. Los fluidos por cambios de temperaturas pueden dilatarse y perder presión. 3. Reserva. Al poder mantener una presión, pueden servir de reserva de energía. 4. Contra golpes de ariete. El golpe de ariete es un concepto hidráulico que engloba diferentes causas de pérdida de caudal, como podrían ser el cierre de válvulas, parada de bombas, puesta en marcha de bombas, etc. 5. Amortiguador. Puede utilizarse para amortiguar las pulsaciones de una bomba. 6. Seguridad. Para evitar accidentes por interrupciones súbitas del generador de potencia hidráulica. El fluido al entrar dentro de un acumulador, comprime un gas, por este motivo, el acumulador puede almacenar el fluido a una determinada presión, ex isten varios tipos de acumuladores. Los más usados son los de membrana y de vej iga. Interiormente, el acumulador lleva una parte llena del fluido hidráulico conectada al circuito y otra parte llena con el gas a comprimir, generalmente nitrógeno. Ambas partes necesitan estar separadas por un medio elástico, o bien una membrana o bien una vejiga. Cuando la presión del circuito supera la presión del nitrógeno, el aceite comienza a acumularse comprimiendo el gas, si la presión del circuito disminuye, el volumen de aceite acumulado en el recipiente es devuelto al mismo gracias a la expansión del nitrógeno.
Funcionamiento de un acumulador hidráulico Atendiendo a la forma constructiva del acumulador podemos clasificarlos: acumulador de vejiga acumulador de membrana acumulador de embolo
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Acumulador de vejiga en armario hidráulico
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Las válvulas hidráulicas son mecanismos que sirven para regular el flujo de fluidos. Pueden desempeñan distintas funciones, recibiendo en cada caso un nombre diferente. Una posible clasificación sería:
Válvulas distribuidoras: Su función es dirigir el flujo por el circuito según nos convenga. Alimentan a los actuadores y a otras válvulas. Válvulas de cierre: Impiden el paso de fluido en un sentido, permitiendo la libre c irculación en el sentido contrario. Válvulas de flujo: Permiten modificar la velocidad de un actuador. Válvulas de presión: Limitan la presión de trabajo en el circuito, actuando como elemento de seguridad. A su vez se pueden clasificar en: Válvulas limitadoras, cuando se supera un determinado valor de presión descargan el o circuito. Válvulas reductoras, limitan o reducen la presión. En ocasiones un determinado o componente del circuito necesita, para su correcto funcionamiento una presión inferior a la del fluido, en esta situación se utilizaría una válvula reductora. Válvulas secuenciadoras: En ocasiones dentro de un circuito interesa que dos cilindros que se alimentan simultáneamente, deseamos que uno actúe antes que el otro, en esta situación con el uso de una válvula secuenciadora se conseguiría producir un desfase entre los cilindros. Válvulas de frenado: Son utilizadas para el retorno de los motores hidráulicos, ya que evitan excesos de velocidad cuando el motor recibe una sobrecarga, así mismo evitan que se produzcan sobrepresiones cuando se desacelera o se detiene la carga.
Normas para clasificar las válvulas y definir sus componentes UNE-EN 736 Válvulas – Terminología. Se trata de una norma con tres partes en las que se describen los componentes de una válvula y se clasifican según sus características constructivas y su función - Parte 1: (1996) Definición de los tipos de válvulas. - Parte 2: (1998) Definición de los componentes de las válvulas. - Parte 3: (1999) Definición de términos. Tanto en la parte 2 como en la parte 3 se incluye un anexo con un glosario de términos en 4 idiomas diferentes (español, inglés, francés y alemán). 4.2 Normas con requisitos de aptitud y ensayos de verificación. Suministro de agua destinada al co nsumo humano. UNE-EN 1074 Válvulas para el suministro de agua – Requisitos de aptitud al uso y ensayos de verificación apropiados. Se trata de una norma con seis partes en las que se recogen los requisitos generales de diseño de las válvulas para suministro de agua en general, así como los métodos de ensayo para cualquier tipo de válvula en particular. ISO 9635 Equipamiento para riego. Válvulas de riego. Se trata de una norma con cinco partes en las que se recogen los requisitos generales de diseño y métodos de ensayo de las válvulas 20
utilizadas en sistemas de riego, con DN igual o superior a 15. Esta norma es prácticamente idéntica a las normas UNE-EN 1074 (Partes 1 a 5 ) de válvulas de suministro de agua. Sin duda, la equivalencia entre estas normas ISO y las UNE-EN facilitará el uso de las válvulas fabricadas de acuerdo con normas Europeas o Internacionales. No obstante, si bien el c ontenido de las normas es prácticamente el mismo, así como los ensayos a realizar, formalmente es nece sario comprobar cada producto con arreglo a la norma ISO correspondiente, por un lado, y con arreglo a la norma UNE-EN por otro.
ISO 9911: 2006 Pequeñas válvulas de plástico de funcionamiento manual. En esta norma se especifican los requisitos y métodos de ensayos que deberían superar las válvulas de plástico de funcionamiento manual que se instalan en una red de riego y cuyo tamaño está comprendido entre DN8 y DN100. ISO 7714: 2008 Válvulas volumétricas – Requisitos generales y métodos de e nsayo. En la norma se realiza una clasificación de estas válvulas y se recogen los ensayos a realizar para comprobar lo especificado por el fabricante. ISO 9644: 2008 Pérdidas de carga en válvulas de riego – Métodos de ensayo. Muy semejante a la UNE-EN 1267:2000 “V álvulas – Ensayos de resistencia al flujo utilizando agua como fluido de ensayo”. Además, es la norma de referencia en las ISO 9635 para definir los ensayos de pérdidas de carga.
Cilindro actuador El cilindro actuador es el elemento final que transmite la energía mecánica o empuje a la carga que se desee mover o desplazar. Aunque hay actuadores de tipo rotativo, los más conocidos son los cilindros lineales.
Los cilindros lineales pueden ser de simple o de doble efecto. En los cilindros de simple efecto el aceite entra sólo por un lado del émbolo, por lo que sólo puede transmitir esfuerzo en un sentido. El retroceso se consigue o bien por el peso propio del cilindro, bien por la acción de un muelle o por una fuerza exterior (ejemplo, la propia carga que se eleva). Por el contrario, en los cilindros de doble efecto, el aceite puede entrar por los dos lados del émbolo, por lo que puede transmitir esfuerzo en los dos sentidos del movimiento. Uno de los aspectos a tener en cuenta en el diseño de un cilindro hidráulico es cómo realizar el amortiguamiento o frenada del movimiento del vástago, cuando éste se acerca al 21
final de carrera, evitando así que se produzcan impactos entre el pistón interior y la tapa del cilindro. Para ello los cilindros hidráulicos disponen de un pivote amortiguador que paulatinamente reduce la salida del aceite hasta que, poco antes de llegar al final de carre ra, cierra totalmente el paso del caudal de salida del aceite, "bypasseando" el flujo mediante una válvula de estrangulamiento por donde se evacua el resto del aceite. De este modo se va disminuyendo progresivamente la velocidad del cilindro y el pistón se consigue frenar suavemente. Este tipo de amortiguamiento para las posiciones finales de carrera se utiliza si las velocidades del cilindro oscilan entre 6 m/min y 20 m/m in.
Figura 13. Amortiguamiento del cilindro en final de carrer a
Por último, cabe indicar un aspecto a tener muy en cuenta en el diseño de los cilindros hidráulicos, y en concreto, en lo que se refiere al vástago. En efecto, cualquier pieza esbelta sometida a esfuerzos de compresión, y el vástago estará sometido a este tipo de solicitación, corre el riesgo de sufrir el fenómeno de pandeo. Para tener en cuenta este tipo de inestabilidad, el cálculo del diámetro del vástago se realiza aplicando la Teoría de Euler. Según esta teoría, para un determinado diámetro (d ) de vástago, la fuerza máxima que puede soportar sin que sufra de pandeo viene dada por la siguiente expresión: K F = S
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donde S es un factor de seguridad de valor 3,5 y K es la carga de pandeo (en kg) que se calcula mediante la siguiente expresión: 2
π
· E · I
K = L2
donde, E es el módulo de elasticidad, de valor 2,1·106 kg/cm2 para el acero; I es el momento de inercia de la sección trasversal del vástago, de valor π·d 4 /64 para un vástago de sección circular de diámetro d ; L es la longitud de pandeo del vástago, que depende del método de sujeción empleado en su montaje. La longitud de pandeo L, en general no va a coincidir con la longitud real del vástago, sino que va a depender, como ya se ha dicho de la forma en que se haya realizado el montaje del cilindro. En la siguiente tabla se indica cómo se calcula L en función de las distintas situaciones de montaje del cilindro hidráulico.
Tabla 7. Cálculo de la longitud libre de pandeo, L
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Los sistemas hidráulicos usan líquido bajo presión para llevar a cabo una tarea. Diseñar y construir un sistema hidráulico requiere algo de conocimiento de mecánica y de los componentes especializados, pero los resultados pueden permitir que una máquina realice trabajos que de otra manera serían difíciles de realizar. Pasos
1. Entiende cómo funciona un sistema hidráulico. Básicamente, este sistema tiene cuatro elementos, así como posiblemente muchos pequeños componentes para propósitos especializados. A continuación, se presentan estos cuatro elementos básicos y una breve descripción de cada uno.
Depósito de fluido. Este es un tanque u otro c ontenedor que conserva el fluido para abastecer al
resto del sistema.
Circuito de fluido. Es un conjunto de tuberías o mangueras que transportan el fluido de un
elemento del sistema a otro.
Bomba hidráulica. Este dispositivo empuja el fluido hidráulico a través del circuito y proporciona
energía para que el sistema realice su trabajo.
Motor o cilindro hidráulico. Este es el componente que hace que algo se mueva, gracias al
impulso que recibe de la energía de la bomba hidráulica.
Los subcomponentes que manipulan o regulan el fluido mientras este realiza su trabajo incluyen
varias válvulas que permiten que el exceso de fluido rodee al motor o cilindro hidráulico, válvulas de control o carretes de la válvula, reguladores, acumuladores, interruptores de presión y calibradores de presión. 2.
Determina qué tipo de fuente de energía requiere tu sistema hidráulico. Este puede ser un motor eléctrico, un motor de combustión interna, e nergía de vapor, de viento o de agua. El principal requerimiento es que los medios encargados de abastecer de energía al sistema estén disponibles y puedan generar suficiente torsión para cumplir con su propósito. 3.
Observa algunos sistemas hidráulicos simples y cotidianos para familiarizarte con sus funciones. Un gato hidráulico puede permitirle a una persona pequeña levantar 20 toneladas de peso o más. El sistema de dirección asistida en un auto puede reducir la fuerza que se requiere 24
para dirigirlo considerablemente y una tronzadora hidráulica puede forzar su c uña de acero incluso a través de la madera más dura. 4.
Planifica tu proyecto de sistema hidráulico con los parámetros de diseño que vas a necesitar. Es necesario que decidas qué tipo de e nergía vas a usar para generar presión con el fin de que el sistema cumpla con su trabajo, qué tipo de válvulas de control (si las hubiera), qué tipo de bomba vas a usar y con qué tipo de tubería vas a conectar tu sistema. Tendrás que elegir un sistema de distribución de energía que se adapte a las funciones de tu sistema hidráulico. Por ejemplo, usar un cilindro hidráulico para partir un tronco o levantar un gran peso. 5.
Determina la cantidad de trabajo que tu sistema realizará para que puedas medir adecuadamente los componentes. Un sistema de amplia capacidad va a necesitar una bomba calibrada para un gran volumen medido en volumen por minuto, como la unidad GPM (galones por minuto), y para una presión medida en peso por unidad de área, como la unidad PSI (libras por pulgadas cuadradas). Dicho esto, una bomba hidráulica típica podría distribuir 0,65 GPM en 2200 PSI. Lo mismo sucede con el motor o cilindro hidráulico que vas a utilizar para manejar u operar tu máquina. Un ejemplo de esto es el c ilindro de una carretilla elevadora que levanta un conjunto de horcas. Este requiere "X" galones de aceite en una presión "Y" para levantar "___" kilos, "___" metros en el aire. 6.
Elige el contenedor adecuado para tu depósito de fluido hidráulico. Un tanque de plástico o de acero que tenga accesorios a prueba de fugas adheridos a este para conectar las mangueras o tubos servirá para tu propósito. No olvides que tu depósito no está pre surizado cuando el sistema está funcionando, pero vas a necesitar descargarlo si canalizas el exceso de fluido directamente hacia este, con una válvula de desviación u otro dispositivo. 7.
Escoge un material adecuado para conectar tu circuito hidráulico. Los tubos de goma reforzados con juntas tóricas o accesorios acampanados podrían ser la opción más fácil para manejar tu máquina, pero los tubos de acero de alta resistencia duran más tiempo y requieren menos mantenimiento con el paso del tiempo. 8.
Busca un sistema de válvulas adecuado para tu propósito. Una simple válvula de fluido on/off (abierto/cerrado) funcionará como una válvula de control si está c alibrada para la
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presión de funcionamiento de tu sistema. Sin embargo, para las funciones más complicadas, es mejor un carrete de válvula con flujo variable que pueda regular el flujo y, en algunos casos, la dirección del flujo en un circuito hidráulico. 9.
Elige el tipo y la capacidad de tu bomba hidráulica. Hay dos tipos de bombas hidráulicas, una bomba tipo generador , que fuerza el aceite entre dos o más ruedas dentadas engranadas en una cubierta cerrada, o una bomba tipo rodillo, que opera con una serie de rodillos cilíndricos configurados alrededor de una leva en una cubierta c errada. Cada una de estas tiene sus ventajas y desventajas, así que elegir una que cumpla con los requerimientos de tu máquina depende de ti. 10.
Busca un motor adecuado para tu bomba. Las bombas pueden funcionar con un eje de transmisión directa, una transmisión de engranaje de reducción, una transmisión de cadena y rueda dentada o una transmisión por correa. Obviamente, cada uno es más adecuado según las aplicaciones específicas y la elección depende de los criter ios de diseño individual. 11.
Conecta el componente de la aplicación de energía. Para levantar simplemente una palanca en una máquina, un cilindro hidráulico es tu mejor opción. Este dispositivo es un tubo de acero con un ensamblaje de pistón o varilla en su interior, sellado para evitar que el aceite se escape. Hay una variedad de tipos de cilindros de distintos tamaños, así que nuevamente, la elección depende de los requerimientos de diseño específicos del proyecto. Otro dispositivo que usa la ener gía eléctrica que la bomba le suministra es un motor hidráulico, usado en tornos y ruedas de tr acción de algunos tipos de equipos aéreos, además de e quipos de fabricación como rodillos formadores de metal. 12.
Construye una estructura de soporte que ubicará cada c omponente en la posición adecuada para realizar su tarea. Esto puedes hacerlo sobre una superficie plana, un armazón de m etal o incluso en elementos distantes con múltiples estructuras. Un ejemplo sería te ner la bomba, el depósito y el montaje de la válvula sobre una plataforma y tener el cilindro hidráulico y el montaje del soporte en otra ubicación, como sucede e n los elevadores hidráulicos de edificios de 2 a 4 pisos (o incluso más altos).
13. Llena el sistema con el fluido hidráulico de tu preferencia, expulsa el aire fuera de este, luego presurízalo para verificar posibles fugas. Ahora ya está listo para funcionar y así poder evaluar la
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función de los componentes. Sin criterios específicos de diseño y de ingeniería, es muy probable que necesites modificar el producto final para optimizar su funcionamiento.
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