INTRODUCCIÓN Este módulo está asociado al área de competencia “Operar y mantener dispositivos, máquinas y equipos eléctricos”. Es de carácter complementario y para su desarrollo se sugiere 160 horas. En el presente módulo el alumno: Interpreta y diseña circuitos de controles neumáticos e hidráulicos para máquinas o sistemas. Conecta y ejecuta circuitos de automatización neumáticos e hidráulicos. Aplica sistemas neumáticos e hidráulicos en la solución de problemas de automatización. Modifica, repara y documenta circuitos neumáticos e hidráulicos. Resuelve problemas prácticos, basados en el uso de dispositivos neumáticos e hidráulicos utilizados para la automatización de máquinas o sistemas. El desarrollo del presente módulo complementario es recomendable, ya que en la actualidad este tipo de circuitos de automatización es ampliamente utilizado en el nivel productivo, en asociación a sistemas eléctricos y/o electrónicos para máquinas o sistemas. Respecto de la relación con otros sectores de la Formación General, el módulo presenta la oportunidad de reforzar y complementar, en un contexto de aplicación, los siguientes aprendizajes: Física: Movimiento, fenómenos de transformación de energía, parámetros físicos con sus correspondientes unidades y formas de medición además de lo relacionado con el comportamiento de los fluidos. Lenguaje y Comunicación: Lectura comprensiva de instrucciones, elaboración de informes y conclusiones a partir de observaciones. Idioma extranjero (Inglés): Traducción e interpretación de manuales y catálogos.
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APRENDIZAJES ESPERADOS 1. Diseña y ejecuta en forma forma práctica circuitos neumáticos neumáticos básicos para máquinas o sistemas. 2. Diseña y ejecuta en forma práctica circuitos circuitos hidráulicos básicos para máquinas o sistemas. 3. Diagnostica problemas de funcionamiento y ejecuta acciones de mantenimiento mantenimiento correctivo en dispositivos neumáticos e hidráulicos.
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APRENDIZAJES ESPERADOS 1. Diseña y ejecuta en forma forma práctica circuitos neumáticos neumáticos básicos para máquinas o sistemas. 2. Diseña y ejecuta en forma práctica circuitos circuitos hidráulicos básicos para máquinas o sistemas. 3. Diagnostica problemas de funcionamiento y ejecuta acciones de mantenimiento mantenimiento correctivo en dispositivos neumáticos e hidráulicos.
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MATERIAL DE CONSULTA UBICACIÓN EN BIBLIOTECA SECCIÓN 600 TECNOLOGÍAS APLICADAS MANUAL DE MECÁNICA INDUSTRIAL TOMO II EDITORIAL CULTURAL S.A. INTRODUCCIÓN INTRODUCCIÓN A LA NEUMÁTICA EDITORIAL MARCOMBO S.A. NEUMÁTICA, HIDRÁULICA Y ELECTRICIDAD APLICADA EDITORIAL PARANINFO APLICACIONES INDUSTRIALES DE LA NEUMÁTICA EDITORIAL MARCOMBO S.A. AUTOMATIZACIÓN AUTOMATIZACIÓN NEUMÁTICA EN LA INDUSTRIA EDITORIAL SMC TECNOLOGÍA INDUSTRIAL II EDITORIAL EDEBE HIDRÁULICA EDITORIAL FESTO DIDACTIC
AUTOR K. ROBLES RODRIGUEZ ANTONIO GUILLÉN SALVADOR JOSÉ ROLDÁN VILORIA ANTONIO GUILLÉN S. JORGE DANIEL BRONZINI
AÑO 1999 1993 1993 1998 1990
VARIOS
19 99
A ZIMMERMANN
1998
ELEMENTOS NECESARIOS DE CARGO DEL ALUMNO FECHA DE REQUERIMIENTO
MATERIALES Cuaderno de 60 Hojas cuadriculado grande Lápiz grafito o Portaminas HB y goma go ma de borrar Lápiz de Pasta, azul, rojo y negro Regla, Regla, escuadra o c artabón artabón de 20 cm
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INDICE DE CONTENIDOS CONTENIDO
1.1. 1.2. 1.2.1 1.2.2 1.3. 1.3.1 1.3.2 1.3.3 1.3.4 1.4. 1.5. 1.6. 1.7. 1.8. 2.2. 2.3. 2.3.1. 2.3.2. 2.4. 2.4.1. 2.4.2. 2.4.3. 2.4.4. 2.5. 2.5.1. 2.5.2. 2.5.3. 2.5.4. 2.5.5. 2.5.6. 2.5.7. 2.6. 2.6.1. 2.6.2. 2.6.3. 3.1. 3.1.1. 3.1.2.
Introducción Aprendizajes esperados Material de consulta Elementos necesarios a cargo del alumno Índice Generalidades de hidráulica y neumática Campos de aplicación de la hidráulica y neumática Aplicaciones móviles Aplicaciones industriales Ventajas y desventajas de la hidráulica y neumática Ventajas de la neumática Desventajas de la neumática Ventajas de la oleohidráulica Desventajas de la oleohidráulica Comparación entre sistemas oleohidraulicos y neumáticos Sistema de transmisión de potencia con fluidos a presión Descomposición tecnológica de una cadena de mando y energía Descomposición tecnológica de una cadena de mando y energía de un sistema hidráulico Descomposición tecnológica de una cadena de mando y energía de un sistema neumático Principios básicos de hidráulica Principios fundamentales de la hidrostática Cómo se crea la presión Presión atmosférica. Principios fundamentales de la hidrodinámica Cómo se mide el caudal El fluido busca un nivel Régimen laminar y turbulento Teorema de bernoulli Transmisión de potencia hidráulica Ventajas de la hidráulica Presión en una columna de fluido La presión atmosférica carga la bomba Las bombas de desplazamiento positivo dan caudal Como se crea la presión La presión indica la carga de trabajo La fuerza es proporcional a la presión y a la superficie Aceite hidráulico Objetivos del fluido Requerimientos de calidad Propiedades del fluido Elementos y accesorios hidráulicos y neumáticos Bombas de desplazamiento positivo Bomba de engranajes de dientes externos Página 4
PÁGINA 1 2 3 3 4 7 8 8 8 10 10 11 11 11 11 12 12 13 14 15 16 17 17 18 19 20 20 21 23 24 26 27 29 30 30 31 31 32 33 33 37 38 39
3.1.3. 3.1.4. 3.1.5. 3.1.6. 3.1.7. 3.1.8. 3.1.9. 3.2. 3.2.1. 3.2.2. 3.2.3. 3.2.4. 3.2.5. 3.2.6. 3.2.7. 3.2.8. 3.3. 3.3.1. 3.3.2. 3.3.3. 3.3.4. 3.3.5. 3.3.6. 3.3.7. 3.3.8. 3.3.9. 3.4. 3.4.1. 3.4.2. 3.4.3. 3.5. 3.5.1. 3.5.2. 3.5.3. 3.5.4. 3.5.5. 3.5.6. 3.6. 3.7. 3.7.1. 3.8. 3.8.1. 3.8.2. 3.8.3. 3.8.4. 3.8.5. 3.9. 3.9.1.
Bomba de engranajes de dientes internos Bomba de lóbulo Bomba de paletas desequilibradas Bomba de paletas equilibradas Bombas de pistones Bomba de pistones axiales Bomba de pistones radiales Tipos de compresores Compresor de pistón Compresor de diafragma (membrana) Compresor multicelular (aletas) Compresor de tornillo Compresor roots Compresor axial Compresor radial Accionamiento del compresor Tratamiento de aire Preparación del aire comprimido Acumulador Secado del aire Secador por enfriamiento Secado por adsorción Secado por absorción Distribución del aire Materiales de las tuberías Tipos de redes Unidad preparadora de aire (UPA o FRL) Filtrado del aire comprimido Regulador de presión Lubricación del aire a presión Acumuladores Acumulador de contrapeso Acumulador cargado por muelle Acumulador de Pistón Acumulador de gas no separado Acumulador de Diafragma Acumulador de vejiga Depósito o tanque Filtros hidráulicos Elementos filtrantes Válvulas Válvulas distribuidoras Representación de las válvulas distribuidoras Representación esquemática de válvulas Nomenclatura de las válvulas Accionamientos de una válvula Actuadores neumáticos Cilindro de simple efecto, retorno por muelle Página 5
39 40 40 41 41 42 42 43 44 44 45 45 46 46 47 47 48 48 49 49 49 50 51 51 52 52 53 54 55 56 57 58 58 59 59 60 60 61 62 62 63 64 69 69 70 71 72 72
3.9.2. 3.9.3. 3.9.4. 3.9.5. 3.9.6. 3.9.7. 3.9.8. 3.9.9. 3.9.10. 3.9.11. 3.9.12 3.10.
Cilindro de simple efecto, de membrana Cilindros de doble efecto Cilindro de doble efecto con amortiguación Cilindro tandem Cilindro de doble efecto doble vástago Cilindro de impacto Cilindro multiposicional Cilindro giratorio Cilindros sin vástago Cilindro de cinta Cilindro con acoplamiento magnético Estructura de los cilindros
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1. UNIDAD I 1.1. GENERALIDADES DE HIDRAULICA Y NEUMATICA INTRODUCCIÓN La automatización en los mecanismos de manufactura, aparece de la relación entre las fuerzas económicas y las innovaciones técnicas como la transferencia de energía, la mecanización de las fábricas, y el desarrollo de las máquinas de transferencia. La mecanización de los procesos fue el primer paso para evolucionar posteriormente hacia la automatización, lo que traería consigo, el incremento de los niveles de producción (productividad) en las fábricas. Este deseo de aumentar las producciones, incentivó el diseño y construcción de máquinas que emulaban los movimientos y tareas del trabajador, de esta forma entonces, la Revolución Industrial hace surgir la automatización en las grandes industrias textiles. Conforme avanzaba la tecnología y los métodos de transferencia de energía, las máquinas especializadas se motorizaron, lo que acarreó consigo un notable aumento en la eficiencia de éstas. La automatización actual, cuenta con dispositivos especializados, conocidos como máquinas de transferencia, que permiten tomar las piezas que se están trabajando y moverlas hacia otra etapa del proceso, colocándolas de manera adecuada. Existen por otro lado los robots industriales, que son poseedores de una habilidad extremadamente fina, utilizándose para trasladar, manipular y situar piezas ligeras y pesadas con gran precisión. La hidráulica y la neumática son parte de la Mecánica de Fluidos, que se encargan del diseño y mantención de los sistemas hidráulicos y/o neumáticos empleados por la industria en general, con el fin de automatizar los procesos productivos, crear nuevos elementos o mejorar los ya existentes. La hidráulica y la neumática son sistemas de transmisión de energía a través de un fluido (aceite, oleohidráulica y aire, neumática). La palabra “Hidráulica” proviene del griego “hydor” que significa “agua”. 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 palabra “neumática” proviene del griego ”pneuma” que significa aliento o soplo. Aunque el término debe aplicarse en general al estudio del comportamiento de los gases, este término se ha adecuado para comprender casi exclusivamente los fenómenos de aire comprimido o sobre presión (presión por encima de una atmósfera) para producir un trabajo. Página 7
La técnica neumática admite una infinidad de aplicaciones en el campo de la industria, especialmente en los trabajos de fijación de piezas, bloqueo de órganos, alimentación de máquinas y movimientos lineales que no requieran velocidades de actuación rigurosamente constantes. No obstante, existe una limitación tecnológica en los esfuerzos admisibles en los elementos de trabajo, no deben superar los 3000 Kgf que puede evitarse en parte con la adición de mecanismos(palancas, engranajes) complementarios Existen variados sistemas de transmisión de energía para generar y controlar un movimiento, entre otros se encuentran los sistemas mecánico, que emplean elementos tales como engranajes, palancas, transmisiones por correas, cadenas, etc. Sistemas eléctricos que utilizan motores, alternadores, transformadores, conmutadores, etc., oleohidráulicos donde se usan bombas, motores, cilindros, válvulas, etc., y neumáticos compresores, actuadores lineales y rotativos, válvulas, etc. Los sistemas de transmisión de energía oleohidráulicos y neumáticos proporcionan la energía necesaria para controlar una amplia gama de maquinaria y equipamiento industrial. Los sistemas oleohidráulicos funcionan con aceite a presión y los sistemas neumáticos lo hacen con aire comprimido.
1.2. CAMPOS DE APLICACIÓN DE LA HIDRAÚLICA Y NEUMÁTICA En la actualidad las aplicaciones de la oleohidráulica y neumática son muy variadas, esta amplitud en los usos se debe principalmente al diseño y fabricación de elementos de mayor precisión y con materiales de mejor calidad, acompañado además de estudios más acabados de las materias y principios que rigen la hidráulica y neumática. Todo lo anterior se ha visto reflejado en equipos que permiten trabajos cada vez con mayor precisión y con mayores niveles de energía, lo que sin duda ha permitido un creciente desarrollo de la industria en general. Dentro de las aplicaciones se pueden distinguir dos, móviles e industriales:
1.2.1 Aplicaciones Móviles El empleo de la energía proporcionada por el aire y aceite a presión, puede aplicarse para transportar, excavar, levantar, perforar, manipular materiales, controlar e impulsar vehículos móviles tales como: Ø Ø Ø Ø Ø Ø Ø Ø
Tractores Grúas Retroexcavadoras Camiones recolectores de basura Cargadores frontales Frenos y suspensiones de camiones Vehículos para la construcción y mantención de carreteras Etc.
1.2.2 Aplicaciones Industriales En la industria, es de primera importancia contar con maquinaria especializada para controlar, impulsar, posicionar y mecanizar elementos o materiales propios de la Página 8
línea de producción, para estos efectos se utiliza con regularidad la energía proporcionada por fluidos comprimidos. Se tiene entre otros: Maquinaria para la industria plástica Máquinas herramientas Maquinaria para la elaboración de alimentos Equipamiento para robótica y manipulación automatizada Equipo para montaje industrial Maquinaria para la minería Ø Maquinaria para la industria siderúrgica Ø Etc. Ø Ø Ø Ø Ø
Otras aplicaciones se pueden dar en sistemas propios de vehículos automotores, como automóviles, aplicaciones aeroespaciales y aplicaciones navales, por otro lado se pueden tener aplicaciones en el campo de la medicina y en general en todas aquellas áreas en que se requiere movimientos muy controlados y de alta precisión, así se tiene:
Aplicación automotriz: suspensión, frenos, dirección, refrigeración, etc. Aplicación Aeronáutica: timones, alerones, trenes de aterrizaje, frenos, simuladores, equipos de mantenimiento aeronáutico, etc. Aplicación Naval: timón, mecanismos de transmisión, sistemas de mandos, sistemas especializados de embarcaciones o buques militares Medicina: Instrumental quirúrgico, mesas de operaciones, camas de hospital, sillas e instrumental odontológico, etc. La hidráulica y neumática tienen aplicaciones tan variadas, que pueden ser empleadas incluso en controles escénicos (teatro), cinematografía, parques de entretenciones, represas, puentes levadizos, plataformas de perforación submarina, ascensores, mesas de levante de automóviles, etc.
Algunas Aplicaciones:
Camión recolector de basura
Car ador Frontal
Par ues de entretenciones
Simuladores de vuelo
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1.3. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA HIDRAULICA Y NEUMATICA Los sistemas de transmisión de energía oleohidráulicos y neumáticos son una garantía de seguridad, calidad y fiabilidad a la vez que reducen costos. La Seguridad es de vital importancia en la navegación aérea y espacial, en la producción y funcionamiento de vehículos, en la minería y en la fabricación de productos frágiles. Por ejemplo, los sistemas oleohidráulicos y neumáticos se utilizan para asistir la dirección y el frenado de coches, camiones y autobuses. Los sistemas de control oleohidráulico y el tren de aterrizaje son los responsables de la seguridad en el despegue, aterrizaje y vuelo de aviones y naves espaciales. Los rápidos avances realizados por la minería y construcción de túneles son el resultado de la aplicación de modernos sistemas oleohidráulicos y neumáticos. La Fiabilidad y la Precisión son necesarias en una amplia gama de aplicaciones industriales en las que los usuarios exigen cada vez más una mayor calidad. Los sistemas oleohidráulicos y neumáticos utilizados en la manipulación, sistemas de fijación y robots de soldadura aseguran un rendimiento y una productividad elevados, por ejemplo, en la fabricación de automóviles. En relación con la industria del plástico, la combinación de la oleohidráulica, la neumática y la electrónica hacen posible que la producción esté completamente automatizada, ofreciendo un nivel de calidad constante con un elevado grado de precisión. Los sistemas neumáticos juegan un papel clave en aquellos procesos en los que la higiene y la precisión son de suma importancia, como es el caso de las instalaciones de la industria farmacéutica y alimenticia, entre otras. La Reducción en el costo es un factor vital a la hora de asegurar la competitividad de un país industrial. La tecnología moderna debe ser rentable y la respuesta se encuentra en los sistemas oleohidráulicos y neumáticos. Entre otros ejemplos, cabe citar el uso generalizado de estos sistemas en la industria de carretillas elevadoras controladas hidráulicamente, las máquinas herramientas de alta tecnología, así como los equipos de fabricación para procesos de producción automatizada, las modernas excavadoras, las máquinas de construcción y obras públicas y la maquinaria agrícola. Con respecto a la manipulación de materiales y para citar unos ejemplos, los sistemas oleohidráulicos permiten que una sola persona pueda trasladar, fácil y rápidamente, grandes cantidades de arena o de carbón. 1.3.1 Ventajas de la Neumática Ø El aire es de fácil captación y abunda en la tierra Ø El aire no posee propiedades explosivas, por lo que no existen riesgos de
chispas. Ø Los actuadores pueden trabajar a velocidades razonablemente altas y fácilmente regulables Ø El trabajo con aire no daña los componentes de un circuito por efecto de golpes de ariete. Ø Las sobrecargas no constituyen situaciones peligrosas o que dañen los equipos en forma permanente. Página 10
Ø Los cambios de temperatura no afectan en forma significativa. Ø Energía limpia Ø Cambios instantáneos de sentido
1.3.2 Desventajas de la neumática Ø En circuitos muy extensos se producen pérdidas de cargas considerables Ø Requiere de instalaciones especiales para recuperar el aire previamente
empleado Ø Las presiones a las que trabajan normalmente, no permiten aplicar grandes fuerzas Ø Altos niveles de ruido generados por la descarga del aire hacia la atmósfera
1.3.3 Ventajas de la Oleohidráulica Ø Ø Ø Ø Ø Ø
Permite trabajar con elevados niveles de fuerza o mementos de giro El aceite empleado en el sistema es fácilmente recuperable Velocidad de actuación fácilmente controlable Instalaciones compactas Protección simple contra sobrecargas Cambios rápidos de sentido
1.3.4 Desventajas de la Oleohidráulica Ø Ø Ø Ø
El fluido es más caro Perdidas de carga Personal especializado para la mantención Fluido muy sensible a la contaminación
1.4. COMPARACION ENTRE SISTEMAS OLEOHIDRAULICOS Y NEUMATICOS CARACTERISTICAS Etimología Fluido Características del fluido Primeras aplic. Industriales Presiones Fuerzas Velocidades lineales Campo de aplicación
OLEOHIDRAULICA Oleo: Aceite Hidro: Agua Aulos: Tubo Aceite a presión Incompresible Inicios del siglo XX 70 a 200 (bar) 1 a 100 (ton) 0 a 6 (m/min) Grandes fuerzas y por lo general mov. lentos
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NEUMATICA Pneuma: Soplo, Aire Aire comprimido Compresible Mediados del siglo XX 4 a 10 (bar) 0 a 3 (ton) 2 a 90 (m/min) Pequeñas fuerzas y por lo general mov. rápidos
1.5. SISTEMA DE TRANSMISION DE POTENCIA CON FLUIDOS A PRESION MOTOR TERMICO O ELECTRICO
SISTEMA DE TRANSMISION OLEOHIDRAULICO O NEUMATICO
HERRAMIENTA DE TRABAJO
1.6. DESCOMPOSICION TECNOLOGICA DE UNA CADENA DE MANDO Y ENERGIA Básicamente, un sistema de transmisión de energía (o potencia), se puede estructurar en tres zonas:
SALIDA DE ENERGIA
TRATAMIENTO Y REGULACION DE LA ENERGIA
GENERACION DE ENERGIA Donde: En la zona de Generación de energía, se encuentran todos aquellos dispositivos relacionados con la producción de potencia. En la zona del Tratamiento y Regulación se encuentran los elementos donde se produce el tratamiento y modificación de parámetros, necesarios para la obtención de las respuestas esperadas. En la zona de Salida de la energía se encuentran los actuadores u órganos de trabajo, los que transforman la energía tratada por el sistema en un trabajo útil. Asociando esta estructura a un sistema de transmisión de potencia fluida, particularmente en los sistemas oleohidráulico y neumático, se pueden identificar los siguientes elementos dentro de la cadena de descomposición tecnológica:
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1.7. DESCOMPOSICION TECNOLOGICA DE UNA CADENA DE MANDO Y ENERGIA DE UN SISTEMA HIDRÁULICO CADENA DE ENERGIA
EJEMPLO DE GRUPO
SALIDA DE LA ENERGIA
ACTUADORES
REGULACION DE LA ENERGIA
VALVULA DE CONTROL DE CAUDAL
DISTRIBUCION DE LA ENERGIA
VALVULA DE CONTROL DIRECCIONAL
V.C.D.
REGULACION DE LA ENERGIA
VALVULA DE CONTROL DE PRESION
V.L.P.
TRATAMIENTO DE LA ENERGIA
DISPOSITIVOS DE RETENCION DE CONTAMINANTES
FILTRO
ENTRADA DE LA ENERGIA
DISPOSITIVO DE GENERACION DE CAUDAL
BOMBA
TRATAMIENTO
DISPOSITIVOS DE ACONDICIONAMIENTO
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EJEMPLO DE COMPONENTE CILINDRO
V.R.C.
COLADOR
1.8. DESCOMPOSICION TECNOLOGICA DE UNA CADENA DE MANDO Y ENERGIA DE UN SISTEMA NEUMÁTICO CADENA DE ENERGIA SALIDA DE LA ENERGIA
EJEMPLO DE GRUPO ACTUADORES LINEALES
EJEMPLO DE COMPONENTE CILINDRO DE DOBLE EFECTO
REGULACION DE LA ENERGIA
VALVULA DE CONTROL DE CAUDAL
V.R.C.
DISTRIBUCION DE LA ENERGIA
VALVULA DE CONTROL DIRECCIONAL
VALVULA DISTRIBUIDORA DE POTENCIA
INTRODUCCION DE INFORMACION
VALVULA DE CONTROL DIRECCIONAL
VALVULA DISTRIBUIDORA DE CONTROL
TRATAMIENTO Y REGULACION DE LA ENERGIA
UNIDAD DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE
FILTRO REGULADOR LUBRICADOR
ENTRADA DE LA ENERGIA
DISPOSITIVOS DE GENERACION DE AIRE COMPRIMIDO
GRUPO COMPRESOR
2. UNIDAD II Página 14
2.2. PRINCIPIOS BASICOS DE HIDRAULICA La hidráulica está basada en unos pocos principios, muy simples: Ø Los líquidos no tienen forma propia. Ø Los líquidos son prácticamente incompresibles. Ø Los líquidos transmiten en todas las direcciones la presión que se les aplica. Ø Los líquidos permiten multiplicar la fuerza aplicada.
LOS LIQUIDOS NO TIENEN FORMA PROPIA. Adquieren la forma del recipiente que los contiene (Fig. Nº1) Gracias a esta condición el aceite de cualquier sistema hidráulico puede circular en cualquier dirección y a través de tuberías y canalizaciones de cualquier diámetro o sección.
Fig. Nº1 Los líquidos no tienen forma propia LOS LIQUIDOS SON PRACTICAMENTE INCOMPRESIBLES. La Fig. Nº2 ilustra esta condición. Por razones de seguridad, obviamente no se debe realizar este experimento mostrado. Sin embargo, si empujáramos hacia abajo el corcho de la botella herméticamente cerrada, el líquido en la botella no se comprimiría. Primero se rompería la botella. (NOTA: Los líquidos se comprimen ligeramente bajo presión, pero para nuestro objetivo son incompresibles.)
Fig. Nº2 Los líquidos son prácticamente incompresibles LOS LIQUIDOS TRANSMITEN EN TODAS LAS DIRECCIONES LA PRESION QUE SE LES APLICA. El experimento de la Fig. Nº2 rompió la botella al no ser compresibles los líquidos y demostró que la presión es transmitida en todas las direcciones. Este hecho es de mucha importancia para los sistemas hidráulicos. Tomar dos cilindros del mismo tamaño, como los de la Fig. Nº3 y comunicarlos por medio de un tubo. Llenar de aceite hasta el nivel indicado. Poner un pistón en cada cilindro, apoyado sobre la superficie del Página 15
líquido. Ejercer ahora una fuerza de un kilogramo sobre uno de los pistones. La presión se transmitirá al otro cilindro y el aceite hará subir el otro pistón con la misma fuerza de un kilogramo.
Fig. Nº3 - Los líquidos transmiten en todas las direcciones la presión que se les aplica LOS LIQUIDOS PERMITEN MULTIPLICAR LA FUERZA APLICADA. Tomemos ahora otros dos cilindros, pero esta vez de diámetro diferente, comunicándolos por medio de un tubo como puede verse en la Fig. Nº4. El primer cilindro tiene una sección de 1cm2 de área, mientras que el segundo cilindro tiene una sección de 10 cm2. Aplicando ahora una fuerza de 10 Kgf al pistón del cilindro de menor diámetro, ésta se transmite a todo el sistema como en el caso anterior. La fuerza transmitida así al pistón de mayor diámetro es de 10 Kgf/ cm2 . Pero este cilindro tiene una sección de 10 veces mayor, la presión total ejercida sobre su pistón será de 100 Kgf. Dicho de otras palabras, hemos multiplicado la fuerza.
2.3. PRINCIPIOS FUNDAMENTALES DE LA HIDROSTATICA Se ha observado que la palabra "hidráulica" procede de griego y significa agua. Por
consiguiente, puede suponerse correctamente que la ciencia de la hidráulica concierne a cualquier sistema accionado por agua. Una rueda hidráulica o turbina, por ejemplo, es un sistema hidráulico. Página 16
Sin embargo, hay que hacer una distinción entre los sistemas que utilizan el impacto de un líquido en movimiento y los que son accionados comprimiendo un fluido contenido en un recipiente cerrado; es decir, por presión. Hablando propiamente: ♦ Un sistema hidráulico que utiliza el impacto o energía cinética del líquido para transmitir energía se denomina sistema hidrodinámico. ♦ Cuando el sistema es accionado por una fuerza aplicada a un líquido contenido en un recipiente cerrado se le denomina sistema hidrostático; siendo la presión la fuerza aplicada por unidad de superficie, y siendo expresada como fuerza por superficie unitaria (kgf/cm2).
2.3.1. Cómo se crea la presión La presión se origina siempre que se produce una resistencia a la circulación de un líquido, o una fuerza que trata de impulsar el líquido. La tendencia a suministrar caudal (o empuje) puede originarse mediante una bomba mecánica o simplemente por el peso del fluido. 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 situada sobre ella. En la época de Pascal, un científico italiano llamado Torricelli 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. Torricelli pudo expresar la presión en el fondo del tanque solamente como "carga de agua" o sea la altura en metros de la columna de agua. Hoy en día, con el valor de Kgf/cm2 como unidad de presión, podemos expresar la presión en cualquier punto de un líquido o de un gas en términos más convenientes. Una columna de un metro de agua es equivalente a 0.1Kgf/cm2; una columna de agua de 5 metros equivale a 0.5 kgf/cm 2, y así sucesivamente. 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.
2.3.2. Presión Atmosférica. La tierra está rodeada de una masa gaseosa (el aire, la atmósfera) que actúa por su peso, ejerciendo presión sobre su superficie. Si se realiza un experimento en donde se introduce un tubo de vidrio abierto por un extremo en una cubeta de agua de modo que quede completamente lleno y se le vuelca manteniendo la abertura siempre dentro del agua, dirigiendo el otro extremo hacia arriba y haciéndolo asomar por encima del nivel del agua observaremos que el tubo no se vacía, sino que permanece lleno. El peso del nivel de la columna de líquido que sobresale del agua es soportado (equilibrado)por la presión atmosférica. La presión atmosférica es de una magnitud determinada y puede expresarse, por ejemplo, en Kgf/cm 2.
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En el proceso que se acaba de describir, es claro que la columna de agua que sobresale del nivel en la cubeta no puede tener una altura arbitraria. Esta suposición queda confirmada cuando en vez de agua se emplea mercurio y si hacemos que el tubo no sea de unos pocos centímetros de longitud, sino de unos 90 a 100 cm. Se verá que realizando la experiencia en las mismas condiciones señaladas anteriormente, la columna de mercurio será equilibrada en unos 76 cm de altura. (Fig Nº5)
Fig Nº5 - Presión atmosférica medida con un barómetro de mercurio La presión atmosférica será ahora igual al peso de la columna de mercurio que sobresale del nivel del líquido en la cubeta. Este peso puede calcularse. Será para 1cm2 de sección transversal del tubo y, por ejemplo 76 cm de altura de la columna de mercurio = al volumen de la columna de líquido en cm 3 X la densidad del mercurio en g/cm3, o sea: Base 1 cm2 X Altura 76cm X 13,6 g/cm3 = 76 cm3 X 13,6 g/cm 3 = 1033,6 g ó también 1,033 Kgf De lo anterior se puede deducir que la medida de presión determinada es la unidad técnica o atmósfera (at) que equivale a 1 Kgf/cm 2.
2.4. PRINCIPIOS FUNDAMENTALES DE LA HIDRODINAMICA Caudal El caudal origina el movimiento del actuador. La fuerza puede transmitirse mediante presión únicamente, pero el caudal es esencial para producir un movimiento. El caudal del sistema hidráulico es suministrado por la bomba. 2.4.1. Cómo se mide el caudal Existen dos maneras de medir el caudal de un líquido. Página 18
Velocidad.- Es la velocidad media de las partículas del líquido en un punto determinado o 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 líquido 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. En la Fig Nº6 puede verse la diferencia entre velocidad y caudal. Un caudal constante de un litro por minuto aumenta o disminuye de velocidad cuando la sección de la tubería cambia de tamaño.
Caudal y velocidad La velocidad de un actuador hidráulico, tal como, 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 l/min = 1 dm 3 /min = 1000 cm3 /min Cuando un líquido fluye tiene que existir un desequilibrio de fuerzas para originar el movimiento. Por consiguiente, cuando un líquido circula a través de una tubería de diámetro constante, la presión será siempre inferior en un punto más abajo de la corriente que en otro punto situado a contracorriente. Se requiere una diferencia de presiones, o caída de presión, para vencer el rozamiento en la línea, la Figura Nº7 muestra la caída de presión debida al rozamiento. Las caídas de presión sucesivas (desde la presión máxima hasta la presión cero) vienen representadas por las diferencias de nivel del líquido en los tubos verticales sucesivos.
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2.4.2. El fluido busca un nivel Inversamente, cuando no hay diferencia de presiones en un líquido, la superficie del mismo permanece horizontal. Si la presión aumenta en un punto, el nivel del líquido sube hasta que el peso correspondiente compensa la diferencia de presiones. La diferencia de alturas, en el caso del aceite, es un metro por cada 0.09 kp/cm 2. Así pues, puede verse qué diferencias adicionales de presión serán necesarias para hacer que un líquido ascienda por una tubería venciendo la fuerza debida al peso del líquido. Al diseñar un circuito, debe añadirse a la presión necesario para mover la carga, la requerida para mover la masa de aceite y para vencer el rozamiento. En la mayoría de las aplicaciones, un buen diseño reduce las caídas de presión hasta el punto de que resultan prácticamente despreciables.
2.4.3. Régimen laminar y turbulento Idealmente, cuando, las partículas de un líquido 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.
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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.
En el régimen laminar las trayectorias son paralelas
En el régimen turbulento el rozamiento aumenta Fig Nº8- Régimen laminar y turbulento
2.4.4. 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 Bemoulli, 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. Fig Nº9 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. 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.
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La utilización de un tubo de Venturi en el carburador de un automóvil es un ejemplo familiar del teorema de Bernoulli. Fig Nº10 La presión del aire, que pasa a través del cuerpo del carburador, disminuye cuando pasa por un estrangulamiento. La disminución de presiones permite que fluya gasolina, se vaporice y se mezcle con la corriente de aire.
Fig Nº10- El efecto Venturi en un carburador de gasolina es una aplicación del teorema de Bernoulli
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2.5. TRANSMISION DE POTENCIA HIDRAULICA Ahora puede definirse la hidráulica como un medio de transmitir energía empujando un líquido confinado. El componente de entrada del sistema se llama bomba; el de salida se denomina actuador. Aunque por razones de sencillez se representa un pistón simple, la mayoría de las bombas llevan pistones múltiples, paletas o engranajes, que son sus elementos de bombeo. Los actuadores pueden ser lineales, como el cilindro mostrado, o rotativos, como los motores hidráulicos Fig Nº 11 y 12
Fig Nº 11- Sistema hidráulico en un actuador lineal
Fig Nº 12- Sistema hidráulico en un actuador rotativo El sistema hidráulico no es una fuente de potencia. La fuente de potencia es un accionador primario un motor eléctrico u otro tipo de motor que acciona la bomba. El Página 23
lector podría preguntarse: ¿por qué no olvidarse de la hidráulica y acoplar el equipo mecánico directamente al accionador primario? La respuesta reside en la versatilidad del sistema hidráulico que tiene ventajas sobre los otros métodos de transmisión de energía.
2.5.1. VENTAJAS DE LA HIDRAULICA Velocidad variable La mayoría de los motores eléctricos funcionan a una velocidad constante. El actuador (lineal o rotativo) de un sistema hidráulico, sin embargo, puede moverse a velocidades infinitamente variables, variando el suministro de la bomba o usando una válvula de control de caudal. Fig Nº13 y 14
Fig Nº13- Cilindro hidráulico actuando a una velocidad máxima y constante
Fig Nº14- Cilindro hidráulico actuando a una velocidad regulada y variable Página 24
Reversibilidad Pocos accionadores primarios son reversibles. Los que son reversibles, generalmente deben desacelerarse hasta una parada completa antes de invertirlos. Un actuador hidráulico puede invertirse, instantáneamente, en pleno movimiento, sin problemas. Una válvula direccional de 4 vías (Fig Nº15 y 16) o una bomba reversible proporcionan el control de inversión, mientras una válvula limitadora de presión protege a los componentes del sistema contra las presiones excesivas.
Fig Nº15- Válvula posicionada para permitir salida del vástago
Fig Nº16- Válvula posicionada para permitir la entrada del vástago
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Protección contra las sobrecargas La válvula limitadora de presión de un sistema hidráulico lo protege contra las sobrecargas. Cuando la carga es superior al taraje de la válvula, el caudal de la bomba se dirige al depósito limitando el par o la fuerza de salida. La válvula limitadora de presión también proporciona el medio de ajustar una máquina para un par o fuerza predeterminada, como en una operación de bloqueo. Tamaños pequeños Los componentes hidráulicos, debido a su elevada velocidad y capacidad de presión, pueden proporcionar una potencia de salida elevada con pesos y tamaños pequeños. Pueden bloquearse El bloqueo de un motor eléctrico causa daños o funde el fusible. Igualmente, las máquinas no pueden bloquearse bruscamente e invertirse su sentido sin necesidad de arrancar de nuevo. Un actuador hidráulico, sin embargo, puede quedar bloqueado sin que se produzcan daños, al estar sobrecargado, y arrancará inmediatamente en cuanto disminuya la carga. Durante el bloqueo, la válvula de seguridad simplemente dirige el caudal de la bomba al depósito. La única pérdida experimentada es la potencia que se disipa inútilmente.
2.5.2. PRESION EN UNA COLUMNA DE FLUIDO El peso específico del aceite varía al cambiar su viscosidad. Sin embargo, el peso específico de la mayoría de los aceites hidráulicos varía de 0.88 a 0.93 kgf/cm 3, en condiciones de funcionamiento normales. Una consideración importante referente al peso específico del aceite es su efecto en la entrada de la bomba. El peso del aceite origina una presión de aproximadamente 0.09 kgf/cm2 en el fondo de una columna de aceite de 100 cm de altura. Así pues, para estimar la presión en la parte inferior de cualquier columna de aceite se debe multiplicar su altura en centímetros por 0.0009 kgf/cm2. Para aplicar este principio consideremos los casos en que el depósito de aceite esté situado encima o debajo de la entrada de la bomba (Fig Nº17 y 18). Cuando el nivel de aceite del depósito está por encima de la entrada de la bomba, existe una presión positiva que fuerza al aceite hacia la bomba. Sin embargo, si la bomba está situada por encima del nivel de aceite, se necesita un vacío equivalente a 0.09 kgf/cm 2 por metro para elevar el aceite hasta la entrada de la bomba. En realidad, el aceite no es elevado por el vacío, sino que la presión atmosférica impulsa al aceite contra el vacío creado a la entrada de la bomba cuando ésta está funcionando. El agua y varios fluidos hidráulicos ininflamables son más pesados que el aceite y por consiguiente requieren más vacío por centímetro de elevación.
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Fig Nº17- El nivel del aceite sobre la bomba carga la entrada
Fig Nº18- El nivel de aceite inferior requiere un vacío para elevar el aceite
2.5.3. LA PRESION ATMOSFERICA CARGA LA BOMBA Normalmente la entrada de una bomba está cargada con aceite, debido a la diferencia de presiones entre el depósito y la entrada de la bomba. Generalmente la presión en el depósito es la presión atmosférica, que es de 1.03 kgf/cm 2. Es, pues, necesario tener un vacío parcial o una presión reducida a la entrada de la bomba, para que ésta pueda aspirar aceite. La Fig Nº19 muestra la situación típica de una bomba manual, que es simplemente un pistón recíproco. En la carrera de aspiración, el pistón crea un vacío parcial en la cámara de bombeo. La presión atmosférica en el depósito impulsa al aceite hacia la cámara para llenar el vacío. (En una bomba rotativa las cámaras de bombeo sucesivas Página 27
aumentan de tamaño a medida que pasan por la entrada creando, efectivamente, una condición de vacío.) Si fuese posible crear un vacío completo a la entrada de la bomba, se dispondría de 1.03 kgf/cm2 para impulsar al aceite. Sin embargo, prácticamente la diferencia de presión disponible es mucho menor. Uno de los motivos es que los líquidos se evaporan en un vacío. Esto introduce burbujas de gas en el aceite. Las burbujas son arrastradas a través de la bomba, desaparecen con fuerza considerable cuando se ven expuestas a la presión en la salida y causan daños que pueden perjudicar al funcionamiento de la bomba y reducir su vida útil. Incluso si el aceite tiene buenas características de presión de vapor (como la mayoría de los aceites hidráulicos), una presión en la línea de entrada demasiado baja (alto vacío) permite que se evapore el aire disuelto en el aceite. Esta mezcla de aceite también desaparece al verse expuesta a la presión de la carga y provoca los mismos daños de cavitación. Si la bomba funciona a velocidad demasiado elevada, aumenta la velocidad en la línea de entrada y también la condición de baja presión, lo que incrementa la posibilidad de cavitación. Si los racores de la línea de entrada no están bien apretados, el aire exterior, a la presión atmosférica, puede penetrar hacia la presión más baja (zona de más baja presión de la línea) y puede llegar hasta la bomba. Esta mezcla aire-aceite también es causa de problemas y de ruido pero es diferente de la cavitación. Cuando se ve expuesto a la presión en la salida de la bomba, este aire adicional se comprime, formando una especie de "cojín", y no desaparece tan violentamente. No se disuelve en el aceite pero penetra en el sistema en forma de burbujas compresibles que provocan un funcionamiento errático de las válvulas y actuadores. La mayoría de los fabricantes de bombas recomiendan un vacío que no exceda de 127 mm de mercurio, el equivalente de aproximadamente 0.83 kgf/cm 2 en la entrada de la bomba. Con una presión atmosférica de 1.03 kgf/cm 2 disponible en el depósito esto deja solamente una diferencia de presión de 0.20 kgf/cm 2 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.
Fig Nº19- La diferencia de presión empuja el aceite hacia la bomba
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2.5.4. LAS BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO DAN CAUDAL La mayoría de las bombas utilizadas en los sistemas hidráulicos se clasifican como de desplazamiento positivo. Esto significa que, exceptuando los cambios de rendimiento, la salida de la bomba es constante, aislada de la entrada, de forma que cualquier cosa que entre se ve forzada a salir por el orificio de salida. El único objeto de una bomba es dar caudal; la presión es originada por la resistencia al caudal. Aunque existe la tendencia de culpar a la bomba por la pérdida de presión, con pocas excepciones, la presión puede perderse solamente cuando hay fugas que desvían todo el caudal procedente de la bomba. Como ejemplo supongamos que una bomba de 10 litros por minuto se utiliza para alimentar un cilindro de 100 cm 2 y para levantar una carga de 4000 kgf (Fig Nº20). Mientras la carga sea elevada o soportada por el aceite hidráulico, la presión debe ser 40 kgf/cm 2 .
Fig Nº20- Circuito hidráulico sin fugas en el sistema Incluso si hay un agujero en el pistón y 9.5 l/min se fugan a 40 kgf/cm 2, la presión se seguirá manteniendo. Con solamente 0.5 l/min disponibles para mover la carga, ésta, naturalmente, se levantará muy despacio, pero la presión requerida para moverla seguirá siendo la misma. Ahora imaginemos que la fuga de 9.5 l/min estuviese en la bomba en vez que en el cilindro. Todavía habría 0.5 l/min para mover la carga y todavía habría presión. Así pues, una bomba puede estar muy desgastada, perdiendo casi todo su rendimiento, y la presión todavía puede mantenerse. El mantenimiento de la presión no indica el estado de la bomba. Es necesario medir el caudal a una presión determinada para comprobar si una bomba está en buenas o malas condiciones. La pérdida total de la presión requiere perdida completa del caudal de salida de la bomba
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Fig Nº21- Circuito hidráulico con perdidas en el sistema
2.5.5. COMO SE CREA LA PRESION La presión se origina cuando el caudal encuentra resistencia. La resistencia puede ser debida a la carga del actuador o a una restricción (u orificio) en las tuberías. La Fig Nº20 es un ejemplo de un actuador con carga. El peso de 4000 kgf resiste al caudal de aceite bajo el pistón y crea presión en el líquido. Si el peso aumenta, también lo hace la presión Si una bomba de 10 l/min tiene su salida conectada a una válvula de seguridad regulada a 70 kgf/cm2 y a un grifo. Si el grifo está completamente abierto el caudal de salida de la bomba pasa libremente y no hay indicación en el manómetro. Supongamos ahora que el grifo se cierra progresivamente. Aumenta la resistencia al caudal y la presión irá aumentando a la entrada del grifo. A medida que se cierra la abertura se necesitará cada vez más presión para impulsar los 10 l/min a través de la restricción. Sin la válvula de seguridad no habría teóricamente ningún límite al incremento de la presión. De hecho, algo se rompería o la bomba bloquearía el motor que la acciona. En el ejemplo señalado, en el momento que la presión llega a 70 Kgf/cm 2, la válvula de seguridad empieza a abrirse y la presión permanece constante. Cerrar más el grifo dará como resultado que pasará menos aceite por el mismo y más por la válvula de seguridad; con el grifo completamente cerrado, los 10 l/min pasarán por la válvula de seguridad a 70 Kgf/cm2. Por lo tanto se debe tener presente que todos los sistemas en que se emplean bombas de desplazamiento positivo deben utilizarse una válvula de seguridad u otro sistema que limite la presión.
2.5.6. LA PRESION INDICA LA CARGA DE TRABAJO Como se ha visto la presión se genera por la resistencia de una carga. Se observó que la presión es igual a fuerza de la carga dividida por la superficie del pistón. Se puede expresar esta relación mediante la fórmula siguiente: Página 30
P =
F
En esta relación: P = presión en Kgf/cm2 F = fuerza en Kgf S = superficie en cm2
S
Según esto, puede verse que un aumento o disminución de la carga dará como resultado un incremento o disminución similar en la presión de trabajo. En otras palabras la presión es proporcional a la carga, y una lectura del manómetro indica la carga de trabajo (en Kgf/cm2) en un momento dado. Los manómetros indican presiones relativas. Es decir que un manómetro estándar indica 0 a la presión atmosférica. Un manómetro absoluto indica 1,03 Kgf/cm 2 a la presión atmosférica al nivel del mar. La presión absoluta se mide generalmente en Kgf/cm 2 abs.
2.5.7. LA FUERZA ES PROPORCIONAL A LA PRESION Y A LA SUPERFICIE Cuando un cilindro hidráulico se usa para mantener una carga, la fuerza que aplica puede calcularse como sigue:
F = P × S Como ejemplo, supongamos que una prensa hidráulica tiene una presión regulada a 140 Kgf/cm2 y esta presión se aplica a una superficie de 100 cm 2. La fuerza de salida será entonces de 140.000 Kgf ó 14 t.
CALCULO DE LA SUPERFICIE DEL PISTON La superficie de un pistón puede calcularse mediante la fórmula:
S = 0,7854 × d 2 2.6. ACEITE HIDRAULICO Todos los líquidos son esencialmente incompresibles y, por consiguiente, transmiten la energía instantáneamente en un sistema hidráulico. La palabra hidráulica, de hecho, viene del griego Hydor que significa agua y Aulos que significa tubo. La primera prensa hidráulica de Bramah y algunas prensas todavía utilizadas hoy en día emplean el agua como elemento de transmisión. Sin embargo, el líquido más generalmente usado en los sistemas hidráulicos es el aceite procedente del petróleo. El aceite transmite la energía fácilmente porque es muy poco compresible. Se comprime aproximadamente 0.5 % a una presión de 70 kgf/cm2, lo que es despreciable en la mayoría de los sistemas. La propiedad más destacable del aceite es su capacidad lubrificante. El fluido hidráulico debe lubrificar la mayor parte de las piezas móviles de los componentes. Página 31
La selección y el cuidado que se tenga con el fluido hidráulico de una máquina tienen un efecto importante sobre su funcionamiento y sobre la duración de sus componentes hidráulicos. La composición y aplicación de los fluidos hidráulicos es una ciencia aparte que está fuera del alcance de estos contenidos. En este apartado, se encontrarán los factores fundamentales que intervienen en la selección de un fluido y en su adecuada utilización. En los contenidos anteriores se ha definido un fluido como cualquier líquido o gas. Sin embargo, el término fluido se ha generalizado en hidráulica para referirse al líquido que se utiliza como medio de transmisión de energía. En este apartado, fluido significará fluido hidráulico, bien sea un aceite mineral adecuado o alguno de los fluidos ininflamables, que pueden ser compuestos sintéticos.
2.6.1. OBJETIVOS DEL FLUIDO El fluido hidráulico tiene 4 objetivos principales: transmitir potencia, lubrificar las piezas móviles, minimizar las fugas y enfriar o d isipar el calor.
Transmisión de potencia Como medio transmisor de potencia, el fluido debe poder circular fácilmente por las líneas y orificios de los elementos. Demasiada resistencia al flujo origina perdidas de potencia considerable. El fluido también debe ser lo más incompresible posible, de forma que cuando se ponga en marcha una bomba o cuando se actúe una válvula, la acción sea instantánea.
Lubrificación En la mayoría de los elementos hidráulicos, la lubrificación interna la proporciona el fluido. Los elementos de la bomba y otras piezas desgastables se deslizan unos contra otros sobre una película de fluido. Para que la duración de los componentes sea larga, el aceite debe contener los aditivos necesarios para asegura, buenas características antidesgaste. No todos los aceites hidráulicos contienen estos aditivos. Vickers recomienda la nueva generación de aceites hidráulicos industriales que contienen cantidades adecuadas de aditivos antidesgaste. Para el servicio hidráulico general, estos aceites ofrecen excelente protección contra el desgaste de bombas y motores y tienen la ventaja de una larga duración. Además, estos aceites proporcionan una buena demulsibilidad así como protección contra la oxidación. Estos aceites se conocen generalmente como "aceites hidráulicos tipo antidesgaste". La experiencia ha demostrado que los aceites para cárter de automóvil tipo "MS" viscosidad SAE 10 W y 20-20 W, son excelentes para los servicios hidráulicos severos cuando no hay muy poca agua. El único inconveniente es que sus aditivos detergentes tienden a emulsionar el agua con el aceite e impiden su separación, incluso durante mucho tiempo. Hay que observar que muy pocos problemas se han experimentado hasta la fecha en el empleo de estos aceites en sistemas hidráulicos de maquinaria industrial. La condensación normal no ha sido problema. Los aceites "MS" son especialmente recomendados para los sistemas hidráulicos de equipo móvil (tractores, excavadoras, asfaltadoras, etc.). Página 32
Estanqueidad En muchos casos, el fluido es el único cierre contra la presión dentro de un componente hidráulico. En las válvulas de corredera no hay anillo de cierre entre la corredera de la válvula y el cuerpo para reducir las fugas entre los pasajes de alta y baja presión. El ajuste mecánico y la viscosidad del aceite determinan el porcentaje de las fugas.
Enfriamiento La circulación del, aceite a través de las líneas y alrededor de las paredes del depósito disipa parte del calor generado en el sistema.
2.6.2. REQUERIMIENTOS DE CALIDAD Además de estas funciones fundamentales el fluido hidráulico puede tener otros requerimientos de calidad tales como: Ø Ø Ø Ø Ø Ø Ø Ø
Impedir la oxidación Impedir la formación de lodo, goma y barniz Reducir la formación de espuma Mantener su propia estabilidad y, por consiguiente, reducir el costo del cambio de fluido Mantener un índice de viscosidad relativamente estable entre amplios límites de temperatura Impedir la corrosión y la formación de picaduras Separar el agua Compatibilidad con cierres y juntas
Estos requerimientos de calidad son frecuentemente el resultado de una composición especial y pueden no estar presentes en todos los fluidos.
2.6.3. PROPIEDADES DEL FLUIDO Considerarnos a continuación las propiedades de los fluidos hidráulicos que les permiten realizar sus funciones fundamentales y cumplir con algunos o todos sus requerimientos de calidad.
Viscosidad La viscosidad es la medida de la resistencia del fluido a la circulación de mismo. Si un fluido circula con facilidad, su viscosidad es baja. También se puede decir que el fluido es fino, o que tiene poca consistencia o poco cuerpo. Un fluido que circula con dificultad tiene una viscosidad alta. Es grueso o tiene mucha consistencia.
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Viscosidad, una solución de compromiso En cualquier máquina hidráulica la viscosidad del fluido debe ser un compromiso. Una viscosidad elevada es deseable para mantener la estanqueidad entre superficies adyacentes. Sin embargo, una viscosidad demasiado alta aumenta la fricción, la que da como resultado: Ø Elevada resistencia al flujo. Ø Alto consumo de potencia debido a las pérdidas por rozamientos. Ø Elevada temperatura causada por la fricción. Ø Aumento de la caída de presión debido a la resistencia. Ø Posibilidad de que el funcionamiento se haga más lento. Ø Dificultad en separar el aire del aceite en el depósito. Y en caso de que la viscosidad fuera demasiado baja: Ø Aumento de las fugas. Ø Excesivo desgaste e incluso agarrotamiento bajo cargas elevadas que pueden producirse al destruirse la película de aceite entre piezas móviles. Ø Puede reducirse el rendimiento de la bomba haciendo que el actuador funcione más despacio. Ø Aumento de temperaturas debido a las fugas.
Viscosidad SUS Para la mayoría de las aplicaciones prácticas es suficiente conocer la viscosidad relativa del fluido. La viscosidad relativa se determina midiendo el tiempo que tarda una cierta cantidad de liquido en fluir a través de un orificio normalizado a una temperatura determinada. Hay varios sistemas de medida. El método más utilizado es el viscosímetro Saybolt. El tiempo que transcurre para fluir una cantidad dada de líquido a través del orificio se mide con un reloj. La viscosidad en Segundos Universales Saybolt (SUS) iguala al tiempo transcurrido. Naturalmente, un líquido grueso fluirá más despacio y la viscosidad SUS será más alta que la de un líquido ligero que fluirá más rápido. Como el aceite se vuelve más viscoso a temperaturas bajas, y disminuye su viscosidad cuando se calienta, la viscosidad se debe expresar con SUS determinados a una temperatura dada. Las medidas se hacen generalmente a 100º F ó 210º F (37,8º C ó 98,9º C). Para aplicaciones industriales, la viscosidad del aceite acostumbra a ser del orden de 150 SUS a 100º F (37,8º C). Es una norma general que la viscosidad no debe ser nunca inferior a 45 SUS, ni superior a 4000 SUS, con independencia de la temperatura. Cuando se trabaja a temperaturas extremas, el fluido debe de tener un índice de viscosidad muy elevado.
Número SAE Los números SAE han sido establecidos por la Society of Automotive Engineers para establecer intervalos de viscosidades SUS a las temperaturas de prueba SAE. Los números de invierno (5W, 10W, 20W) se determinan haciendo medidas a 0º F
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(-17,9º C). Los números de verano (20,30, 40,50, etc.) designan el intervalo SUS a 210ºF (98,9º C).
Índice de viscosidad (IV) El índice de viscosidad es un número arbitrario que indica el cambio de viscosidad del fluido al variar la temperatura. Un fluido que tenga un índice de viscosidad relativamente estable a temperaturas extremas tiene un índice de viscosidad (IV) muy elevado. Un fluido que sea muy espeso a temperaturas muy bajas y muy ligero a temperaturas muy elevadas tendrá un IV muy bajo. Es conveniente utilizar un fluido de IV elevado cuando se trabaja a temperaturas extremas. No obstante, si una máquina funciona a temperaturas relativamente constantes, el índice de viscosidad tiene menos importancia.
Punto de fluidez El punto de fluidez es la temperatura más baja a la que un líquido debe fluir. Es una especificación muy importante si el sistema hidráulico está expuesto a temperaturas extremadamente bajas. Como regla general, el punto de fluidez debe estar 10º C por debajo de la temperatura más baja de utilización.
Capacidad de lubrificación Es deseable que las piezas móviles del sistema hidráulico tengan una holgura suficiente para que puedan deslizarse sobre una película de fluido. Esta condición se llama lubrificación completa. Si el fluido tiene una viscosidad adecuada, las pequeñas imperfecciones de las superficies de las piezas metálicas no se tocarán. Sin embargo, en equipos de alta precisión, las altas presiones y velocidades, juntamente con holguras finas, originan que la película del fluido se haga muy delgada, originándose entonces una condición límite de lubrificación. Aquí puede haber contacto metal-metal entre las crestas de las dos superficies en contacto y se necesita un aceite con propiedades químicas especiales.
Resistencia a la oxidación La oxidación o reacción química con el oxígeno es un factor importante que reduce la vida o duración de un fluido. Los aceites de petróleo son particularmente susceptibles a la oxidación ya que el oxigeno se combina fácilmente con el carbono y el hidrógeno que forman parte de la composición química de los aceites. La mayoría de los productos de la oxidación son solubles en el aceite y tienen lugar reacciones entre ellos, formándose goma, lodo o barniz que, debido a su acidez, pueden originar corrosión en el sistema, además de aumentar la viscosidad del aceite. Los productos de oxidación que son insolubles taponan orificios, aumentan el desgaste y hacen que las válvulas se agarroten.
Catalizadores Hay siempre un número de catalizadores de oxidación en el sistema hidráulico. El calor, la presión, los contaminantes, el agua, las superficies metálicas y la agitación, todos ellos aceleran la oxidación una vez que ésta empieza. Página 35
Es particularmente importante la temperatura. La experiencia ha demostrado a temperaturas inferiores a 57º C el aceite se oxida muy lentamente. Pero la velocidad de oxidación (o cualquier otra reacción química) se dobla aproximadamente por cada aumento de 10º C. Los fabricantes de aceite hidráulico añaden aditivos para resistir a la oxidación, ya que muchos sistemas trabajan a temperaturas muy altas. Estos aditivos: 1.- Impiden inmediatamente que la oxidación continúe una vez iniciada (tipo rompedor de cadena) o 2.- Reducen el efecto de los catalizadores de oxidación (tipo desactivador metálico).
Prevención de la oxidación y de la corrosión La oxidación es la unión química del hierro (o acero) con el oxígeno. La corrosión es una reacción química entre un metal y un ácido. Los ácidos resultan de la combinación química del agua con ciertos elementos. Ya que es generalmente imposible impedir que el aire atmosférico y la humedad que contiene penetren en el sistema hidráulico, habrá siempre posibilidades de que haya oxidación y corrosión. Durante la corrosión las partículas de metal se disuelven y se desprenden del componente Tanto la oxidación como, la corrosión contaminan el sistema y originan un desgaste. También originan fugas excesivas y puede ocurrir que los componentes se agarroten. Pueden evitarse la oxidación y la corrosión incorporando aditivos al fluido, que protegen las superficies metálicas de los ataques químicos.
Desemulsibilidad Pequeñas cantidades de agua pueden ser toleradas en la mayoría de los sistemas, De hecho, algunos componentes antioxidantes promueven un cierto grado de emulsificación, o mezcla con el agua que se introduce en el sistema. Esto impide que el agua se deposite y rompa la película anti-oxidación. Sin embargo, demasiada agua en el aceite facilita la acumulación de contaminantes que pueden originar el agarrotamiento de las válvulas y la aceleración del desgaste. Con aditivos adecuados, puede conseguirse que un aceite hidráulico tenga un alto grado de desemulsibilidad o capacidad para separar el agua.
Uso de aditivos Como la mayoría de las propiedades deseables de un fluido son, por lo menos, parcialmente atribuidas a los aditivos, podría suponerse que los aditivos comerciales pueden ser incorporados a cualquier aceite para hacerlo más adecuado a un sistema hidráulico. Los fabricantes, sin embargo, previenen contra esto, diciendo que los aditivos deben ser compatibles con el fluido base y entre si, más aún, que esta compatibilidad no puede ser determinada fácilmente por el usuario. A menos que se disponga de un laboratorio para averiguar su compatibilidad, es mejor dejar el uso de los aditivos al criterio del fabricante del fluido.
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3. UNIDAD III 3.1. ELEMENTOS Y ACCESORIOS HIDRAULICOS Y NEUMATICOS BOMBAS Las bombas hidráulicas son los elementos encargados de impulsar el aceite o líquido hidráulico, transformando la energía mecánica rotatoria en energía hidráulica. El proceso de transformación de energía se efectúa en dos etapas: aspiración y descarga.
Aspiración Al comunicarse energía mecánica a la bomba, ésta comienza a girar y con esto se genera una disminución de la presión en la entrada de la bomba, como el depósito de aceite se encuentra sometido a presión atmosférica, se genera entonces una diferencia de presiones lo que provoca la succión y con ello el impulso del aceite hacia la entrada de la bomba. Descarga Al entrar aceite, la bomba lo toma y lo traslada hasta la salida y se asegura por la forma constructiva que el fluido no retroceda. Dado esto, el fluido no encontrará más alternativa que ingresar al sistema que es donde se encuentra espacio disponible, consiguiéndose así la descarga. Clasificación de las Bombas Constante (cilindrada constante) 1 Caudal
2 Construcción
Variable (Cilindrada variable)
Engranajes
Dientes externos Dientes internos Lóbulos Rotor
Paletas
Desequilibradas Equilibradas
Pistones
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Axiales Radiales
3.1.1. Bombas de desplazamiento positivo Gracias al movimiento cíclico constante de su parte móvil, una bomba de desplazamiento positivo es capaz de entregar un caudal constante de líquido y soportar (dentro de sus límites) cualquier presión que se requiera. En otras palabras, una bomba de desplazamiento positivo genera caudal, pero a alta presión. Una bomba de desplazamiento positivo consiste básicamente de una parte móvil alojada dentro de una carcasa. La bomba mostrada en la figura tiene un émbolo como parte móvil. El eje del émbolo está conectado a una máquina de potencia motriz capaz de producir un movimiento alternativo constante del émbolo. El puerto de entrada está conectado al depósito, en los puertos de entrada y salida, una bola permite que el líquido fluya en un solo sentido a través de la carcasa. Estas bombas las constituyen las del tipo oleohidráulico, es decir, bombas que además de generar el caudal, lo desplazan al sistema obligándolo a trabajar, este fenómeno se mantiene aún a elevadas presiones de funcionamiento. Las bombas pueden clasificarse además dependiendo de la forma en que se desplaza la parte móvil de éstas; si el desplazamiento es rectilíneo y alternado, entonces se llamarán o s c i l a n t es , y si el elemento móvil gira se llamarán r o t a t i v a s .
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3.1.2. Bomba de engranajes de dientes externos
A consecuencia del movimiento de rotación que el motor le provoca al eje motriz, éste arrastra al engranaje respectivo el que a su vez provoca el giro del engranaje conducido (segundo engranaje). Los engranajes son iguales en dimensiones y tienen sentido de giro inverso. Con el movimiento de los engranajes, en la entrada de la bomba se originan presiones negativas; como el aceite que se encuentra en el depósito está a presión atmosférica, se produce una diferencia de presión, la que permite el traslado de fluido desde el depósito hacia la entrada de la bomba (movimiento del fluido). Así los engranajes comienzan a tomar aceite entre los dientes y a trasladarlo hacia la salida o zona de descarga. Por efecto del hermetismo de algunas zonas, el aceite queda impedido de retroceder y es obligado a circular en el sistema.
3.1.3. Bomba de engranajes de dientes internos
Esta bomba la constituyen elementos como, engranajes de dientes externos (motriz), engranajes de dientes internos (conducido) y una placa en forma de media luna. Existe una zona donde los dientes engranan completamente en la cual no es posible alojar aceite entre los dientes. Al estar los engranajes ubicados excéntricamente comienzan a separarse generando un aumento del espacio con lo cual se provoca una disminución de presión Página 39
lo que asegura la aspiración de fluido. Logrado esto, el aceite es trasladado hacia la salida, la acción de la placa con forma de media luna y el engrane total, impiden el retrocesos del aceite.
3.1.4. Bomba de lóbulo
Esta bomba funciona siguiendo el principio de la bomba de engranajes de dientes externos, es decir, ambos elementos giran en sentidos opuestos, con lo que se logra aumentar el volumen y disminuir la presión y por ello conseguir la aspiración del fluido. Por la forma constructiva de los engranajes el caudal desplazado puede ser mayor. Se genera una sola zona de presión, por lo cual esta bomba constituye una del tipo desequilibrada, y al no podérsele variar la cilindrada, se dice entonces que la bomba es de caudal constante.
3.1.5. Bomba de paletas desequilibradas
Al girar el rotor dentro del anillo volumétrico y ubicado en forma excéntrica a éste, se genera por lo tanto una cierta diferencia que permite en algunos casos controlar la cilindrada. Gracias a la excentricidad se genera una zona que hace las veces de cierre hermético que impide que el aceite retroceda. A partir de esta zona y producto de la fuerza centrífuga, las paletas salen de las ranuras del rotor, ajustándose a la superficie interna del anillo, así entre cada par de paletas se crean cámaras que hacen aumentar el volumen y disminuir la presión, con lo que es posible asegurar el continuo suministro de aceite. El aceite es tomado en estas cámaras y trasladado a la zona de descarga. Página 40
Al tener la bomba una sola zona de alta presión se originan fuerzas que no son compensadas, lo que indica que la bomba se trata de una bomba desequilibrada.
3.1.6. Bomba de paletas equilibradas
Se distingue en este tipo de bomba las siguientes situaciones: Ø Anillo volumétrico Ø El rotor y el anillo están ubicados concéntricamente Ø Posee dos zonas de aspiración y dos de descarga, por lo tanto la aspiración y
descarga se realiza dos veces en cada revolución Ø Su caudal es fijo Ø Las fuerzas resultantes se anulan, por lo tanto la bomba es equilibrada
3.1.7. Bombas de Pistones l ∅
Definición Estas bombas se emplean en gran cantidad dada la gran capacidad de otorgar trabajo y caudal con altos niveles de presiones. Existen dos tipos, y su diferencia está dada por la posición de los émbolos o pistones Ø Bomba de pistones axiales Ø Bomba de pistones radiales
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3.1.8. Bomba de pistones axiales
Al girar el eje, comunica un movimiento circular al bloque de cilindros. Este movimiento en conjunto con la inclinación de la placa, determina que el pistón desarrolle internamente en el cilindro un movimiento alternativo que permite el desarrollo de los procesos de aspiración y descarga. En la primera parte del proceso, los pistones se retraen provocando un aumento de volumen y una disminución de la presión con lo que se genera la aspiración. En la segunda etapa, los pistones comienzan a entrar y con esto se disminuye el volumen y como consecuencia se produce la descarga. Si fuera posible variar la inclinación de la placa, la bomba será de caudal variable.
3.1.9. Bomba de pistones radiales
El mecanismo de bombeo de la bomba de pistones radiales consiste en un barril de cilindros, pistones, un anillo y una válvula de bloqueo. Este mecanismo es muy similar al de una bomba de paletas, sólo que en vez de usar paletas deslizantes se usan pistones. El barril de cilindros que aloja los pistones está excéntrico al anillo. Conforme el barril de cilindros gira, se forma un volumen creciente dentro del barril durante la mitad de la revolución, en la otra mitad, se forma un volumen decreciente. El fluido entra y sale de la bomba a través de la válvula de bloqueo que está en el centro de la bomba. Página 42
3.2. TIPOS DE COMPRESORES El compresor es una máquina cuyo objetivo es lograr que el aire a la salida de ésta tenga un nivel de presión mayor, este propósito lo logrará el compresor al absorber una determinada cantidad de energía la que finalmente se transformará mediante algún mecanismo en energía de presión o energía neumática. El aire comprimido se obtiene por medio de compresores, que son máquinas capaces de elevar la presión de una masa de aire hasta el valor conveniente. Los compresores son, en realidad, generadores de caudal, ya que para lograr aumentos de presión es necesaria una relación determinada entre el caudal de entrada y el de salida, siendo éste inferior a aquél. Los compresores no son verdaderos productores de energía, sino transmisores de la misma, ya que convierten la energía mecánica de su árbol motor en energía de presión. Existen dos procedimientos fundamentales de compresión: - Compresión volumétrica o Principio de desplazamiento.- Se refiere en este caso al hecho de que el aumento de presión se logra por compresión, es decir, el compresor admite una cantidad de aire atmosférico y posteriormente reduce su volumen, a causa de la reducción del volumen necesariamente se eleva la presión. - Turbocompresión o Principio dinámico.- El aire, aspirado por el propio sistema, aumenta su velocidad de circulación a través de varias cámaras, impulsado por paletas giratorias. La energía cinética de éstas se transforma en energía elástica de compresión. A la salida del compresor por la construcción interna de éste, la velocidad disminuye, disminuyendo también la energía cinética. Esta disminución permite que una parte de la energía se transforme en energía de presión o neumática.
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3.2.1. Compresor de Pistón
Este compresor funciona en base a un mecanismo de excéntrica que controla el movimiento alternativo de los pistones en el cilindro. Cuando el pistón hace la carrera de retroceso aumenta el volumen de la cámara por lo que aumenta el volumen de la cámara, por lo que disminuye la presión interna, esto a su vez provoca la apertura de la válvula de admisión permitiendo la entrada de aire al cilindro. Una vez que el pistón ha llegado al punto muerto inferior inicia su carrera ascendente, cerrándose la válvula de aspiración y disminuyendo el volumen disponible para el aire, esta situación origina un aumento de presión que finalmente abre la válvula de descarga permitiendo la salida del aire comprimido ya sea a una segunda etapa o bien al acumulador. Es el compresor mas difundido a nivel industrial, dada su capacidad de trabajar en cualquier rango de presión. Normalmente, se fabrican de una etapa hasta presiones de 5 bar, de dos etapas para presiones de 5 a 10 bar y para presiones mayores, 3 o mas etapas. Algunos fabricantes ya están usando tecnología denominada libre de aceite, vale decir, sus compresores no utilizan aceite lo que los hace muy apetecibles para la industria químico farmacéutica y hospitales
3.2.2. Compresor de Diafragma (Membrana)
El movimiento obtenido del motor, acciona una excéntrica y por su intermedio el conjunto biela – pistón. Esta acción somete a la membrana a un vaivén de desplazamientos cortos e intermitentes que desarrolla el principio de aspiración y compresión.
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Debido a que el aire no entra en contacto con elementos lubricados, el aire comprimido resulta de una mayor pureza, por lo que lo hace especialmente aplicable en industrias alimenticias, farmacéuticas, químicas y hospitales.
3.2.3. Compresor Multicelular (Aletas)
El rotor gira accionado por el eje del motor ubicado en forma excéntrica en el interior de una carcasa. Este rotor es provisto de un cierto número de aletas que se ajustan a la superficie interior de la carcasa por acción de la fuerza centrífuga, formando verdaderas células o cámaras que aumentan el volumen en una primera etapa. Este aumento de volumen conlleva una disminución de la presión por lo cual se produce la aspiración de aire desde la atmósfera. En la otra parte del ciclo las cámaras comienzan a reducir paulatinamente su volumen con lo cual se logra el aumento de presión. Tiene la ventaja de generar grandes cantidades de aire pero con vestigios de aceite, por lo que en aquellas empresas en que no es indispensable la esterilidad presta un gran servicio, al mismo tiempo el aceite pulverizado en el aire lubrica las válvulas y elementos de control y potencia.
3.2.4. Compresor de Tornillo
Los tornillos del tipo helicoidal engranan con sus perfiles y de ese modo se logra reducir el espacio de que dispone el aire. Esta situación genera un aumento de la presión interna del aire y además por la rotación y el sentido de las hélices es impulsado hacia el extremo opuesto.
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Los ciclos se traslapan, con lo cual se logra un flujo continuo. A fin de evitar el desgaste de los tornillos, estos no se tocan entre si, ni tampoco con la carcasa, lo cual obliga a utilizar un mecanismo de transmisión externo que permita sincronizar el movimiento de ambos elementos. Entrega caudales y presiones medios altos (600 a 40000m³/h y 25 bar) pero menos presencia de aceite que el de paletas. Ampliamente utilizado en la industria de la madera, por su limpieza y capacidad.
3.2.5. Compresor Roots
En este tipo de compresores el aire es tomado en la entrada por los denominados émbolos rotativos y trasladado hasta la descarga, modificando ligeramente el volumen y por lo tanto el nivel de presiones que se alcanza es relativamente bajo entre 1 y 2 bar. Como ventaja presenta el hecho que puede proporcionar un gran caudal, lo que lo hace especial para empresas que requieren soplar, mover gran cantidad de aire, su uso es muy limitado. El accionamiento también se asegura exteriormente, ya que por la forma de los elementos y la acción del roce no es conveniente que los émbolos entren en contacto.
3.2.6. Compresor Axial
El proceso de obtener un aumento de la energía de presión a la salida del compresor se logra de la siguiente manera. La rotación acelera el fluido en el sentido Página 46
axial comunicándole de esta forma una gran cantidad de energía cinética a la salida del compresor, y por la forma constructiva, se le ofrece al aire un mayor espacio de modo que obligan a una reducción de la velocidad. Esta reducción se traduce en una disminución de la energía cinética, lo que se justifica por haberse transformado en energía de presión. Con este tipo de compresor se pueden lograr grandes caudales (200.000 a 500.000 m³/h) con flujo uniforme pero a presiones relativamente bajas (5 bar).
3.2.7. Compresor Radial
En este caso, el aumento de presión del aire se obtiene utilizando el mismo principio anterior, con la diferencia de que en este caso el fluido es impulsado una o más veces en el sentido radial. Por efecto de la rotación, los álabes comunican energía cinética y lo dirigen radialmente hacia fuera, hasta encontrarse con la pared o carcasa que lo retorna al centro, cambiando su dirección. En esta parte del proceso el aire dispone de un mayor espacio disminuyendo por tanto la velocidad y la energía cinética, lo que se traduce en la transformación de presión. Este proceso se realiza tres veces en el caso de la figura, por lo cual el compresor es de tres etapas. Se logran grandes caudales pero a presiones también bajas. El flujo obtenido es uniforme.
3.2.8. Accionamiento del compresor Normalmente la energía mecánica que requiere el compresor se obtiene de un motor eléctrico dadas las ventajas que presenta utilizar este tipo de energía. Generalmente el motor gira un número de rpm fijo por lo cual se hace necesario regular el movimiento a través de un sistema de transmisión compuesto en la mayoría de los casos por un sistema de poleas y correas.. Aunque la aplicación anterior es la más difundida y utilizada industrialmente, el elemento de accionamiento también puede ser un motor de combustión interna. Este tipo de energía es especialmente útil para trabajos en terreno en que no se cuenta con electricidad.
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3.3. TRATAMIENTO DE AIRE Deben eliminarse todas las impurezas del aire, ya sea antes de su introducción en la red distribuidora o antes de su utilización. Las impurezas que contiene el aire pueden ser: Ø Sólidas. Polvo atmosférico y partículas del interior de las instalaciones Ø Líquidas. Agua y niebla de aceite Ø Gaseosas. Vapor de agua y aceite
Los inconvenientes que estas partículas pueden generar son: Sólidas. Desgaste y abrasiones, obstrucciones en los conductos pequeños. Líquidas y gaseosas. El aceite que proviene de la lubricación de los compresores provoca: formación de partículas carbonases y depósitos gomosos por oxidación y contaminación del ambiente al descargar las válvulas. Por otro lado el agua en forma de vapor provoca: oxidación de tuberías y elementos, disminución de los pasos efectivos de las tuberías y elementos al acumularse las condensaciones, mal acabado en operaciones de pintura. En la actualidad se ha desarrollado y se está difundiendo cada vez con mayor velocidad los compresores libre de aceite, especialmente desarrollado para la industria alimenticia y farmacéutica, estos pueden ser del tipo pistón o tornillo, la gran ventaja de estos equipos es la entrega de un aire limpio, de alta pureza, pero siempre necesita un sistema de filtración posterior.
3.3.1. Preparación del aire comprimido Para garantizar la fiabilidad de un mando neumático es necesario que el aire alimentado al sistema tenga un nivel de calidad suficiente. Ello implica considerar los siguientes factores: Ø Presión correcta Ø Aire seco Ø Aire limpio
Si no se acatan estas condiciones, es posible que se originen tiempos más prolongados de inactivación de las máquinas y, además, aumentarán los costos de servicio. El aire que no ha sido acondicionado debidamente provoca un aumento de la cantidad de fallos y, en consecuencia, disminuye la vida útil de los sistemas neumáticos. Esta circunstancia se manifiesta de las siguientes maneras: Ø Aumento del desgaste de juntas y de piezas móviles de válvulas y Ø Ø Ø Ø
cilindros Válvulas impregnadas de aceite Suciedad en los silenciadores Corrosión en tubos, válvulas, cilindros y otros componentes Lavado de la lubricación de los componentes móviles
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3.3.2. Acumulador Para estabilizar el aire comprimido se coloca adicionalmente al compresor un acumulador. El acumulador equilibra las oscilaciones de la presión al extraer aire comprimido del sistema. Si en el acumulador cae la presión por debajo de un determinado valor, entonces el compresor lo llenará hasta alcanzar el valor superior de presión ajustado. Esto tiene la ventaja de que el compresor no tiene que trabajar en funcionamiento continuo. La superficie relativamente grande del acumulador provoca un enfriamiento del aire contenido en él. Durante este proceso de enfriamiento se condensa agua que debe ser purgada regularmente a través de un grifo.
3.3.3. Secado del aire El aire comprimido con un contenido demasiado elevado de humedad reduce la vida útil de los sistemas neumáticos. En consecuencia es necesario instalar secadores de aire con el fin de reducir el contenido de humedad del aire. Para secar el aire puede recurrirse a alguno de los siguientes métodos: Ø Secador por enfriamiento Ø Secado por adsorción Ø Secado por absorción
Los costos adicionales ocasionados por la instalación de un secador de aire son rápidamente amortizados debido a la disminución de los costos de mantenimiento, por tiempos de inactividad menores y por la mayor fiabilidad del sistema.
3.3.4 Secador por enfriamiento El secador usado con más frecuencia es el secador por enfriamiento. En él, el aire que circula es enfriado en un intercambiador térmico. La humedad contenida en el aire es segregada y recogida en un recipiente. Página 49
3.3.5 Secado por adsorción Depósito de materias en la superficie de cuerpos sólidos. El agente secador, también denominado gel secador, es un granulado compuesto principalmente de óxido de silicio. Siempre se utilizan dos unidades de adsorción.
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3.3.6 Secado por absorción Una materia gaseiforme es fijada por una materia sólida o líquida. El proceso de secado por absorción es un método químico que es utilizado muy pocas veces a raíz de los elevados costos de servicio. Primero, el aire a presión es guiado a través de un filtro para retirar la mayor cantidad de gotas de agua y de aceite posible. Cuando e l aire entra en el secador, es sometido a un movimiento rotativo al atravesar la cámara de secado, la cual contiene un agente de fundición (masa de secado). Después del secador debe preverse un filtro para captar el polvo arrastrado del agente de absorción.
3.3.7 Distribución del aire Para que la distribución del aire sea fiable y no cause problemas, es recomendable acatar una serie de puntos. Entre ellos, las dimensiones correctas del sistema de tuberías son tan importantes como la elección correcta de los materiales, de la resistencia al caudal del aire, así como la configuración del sistema de tuberías y la ejecución de los trabajos de mantenimiento. En todos los conductos se producen pérdidas de presión a raíz de resistencias al flujo, especialmente en zonas de estrechamiento, en ángulos, bifurcaciones y conexiones de tubos. Estas pérdidas tienen que ser compensadas por el compresor. La disminución de presión en todo el sistema debería ser la mínima posible. Página 51
3.3.8 Materiales de las tuberías Los sistemas neumáticos modernos exigen la instalación de tubos que cumplan con determinadas condiciones. Concretamente, los materiales tienen que cumplir con lo siguiente: Ø Ø Ø Ø
Bajo nivel de pérdida de presión Estanqueidad Resistencia a la corrosión Posibilidad de ampliación
En lo que respecta al uso de materiales de plástico, no solo tiene que tomarse en cuenta sus precios, sino que también cabe anotar que con ellos los costos de instalación son más bajos. Los tubos de plástico pueden unirse al 100% de estanqueidad. Además, las redes de tuberías de plástico pueden ampliarse fácilmente. Las tuberías de cobre o de acero, por lo contrario, son más baratas, pero para unirlas hay que soldarlas o utilizar conexiones roscadas. Si estos trabajos no son llevados a cabo de modo esmerado, bien puede suceder que el sistema sea contaminado con virutas, residuos de soldadura, depósitos de partículas o de materiales de juntas.
Sistema de abastecimiento del aire Aunque el sistema de evacuación de aire del sistema generador de presión sea eficiente, siempre puede haber residuos de condensado en el sistema de tuberías debido a caídas de presión o de la temperatura exterior. Para evacuar ese condensado, todo el sistema debería tener una inclinación de 1 hasta 2% en dirección del flujo de aire. Los puntos de evacuación también pueden instalarse escalonadamente. De esta forma, el condensado puede ser evacuado en los puntos respectivamente más bajos a través de un separador de agua.
3.3.9 Tipos de redes Para realizar la conducción del aire comprimido, existen tres tipos redes que son: Ø Red abierta Ø Red cerrada o anular Ø Red cerrada con interconexiones Página 52
La configuración de la red de tuberías es de gran importancia para el funcionamiento económico del sistema, aparte de escoger las dimensiones correctas de los tubos y de optar por una buena calidad de los materiales empleados. El compresor suministra al sistema aire a presión en ciertos intervalos. Por lo tanto es frecuente que el consumo de aire a presión aumente solo durante un breve plazo. Esta circunstancia puede provocar condiciones desfavorables en la red de aire a presión. Por lo tanto es recomendable instalar un circuito anular principal de aire a presión, ya que de ese modo se obtiene un nivel de presión relativamente constante.
Para efectuar trabajos de mantenimiento, de reparación y de ampliación de la red sin interferir en la alimentación del aire a presión, es aconsejable segmentar la red por partes individuales. Con ese fin deberán instalarse bifurcaciones con conexiones en T y colectores con acoplamientos enchufables. Los conductos de bifurcación deberían estar equipados con válvulas de cierre o con válvulas de bola tipo estándar.
3.4. Unidad preparadora de aire (UPA o FRL) Es una unidad que acondiciona el aire para su utilización en los elementos de trabajo, es decir, realízale filtrado, drenajes de líquido, reduce la presión al nivel requerido y lubrican el aire. Consta de tres elementos básicos que son: 1. Filtro con purga 2. Válvula reductora de presión 3. Lubricador Página 53
3.4.1. Filtrado del aire comprimido En los procesos de automatización neumática se tiende cada vez a miniaturizar los elementos (problemas de espacio), fabricarlos con materiales y procedimientos con los que se pretende el empleo cada vez menor de los lubricadores. Consecuencia de esto es que cada vez tenga más importancia el conseguir un mayor grado de pureza en el aire comprimido, para lo cual se crea la necesidad de realizar un filtraje que garantice su utilización. El filtro tiene por misión: Ø Detener las partículas sólidas Ø Eliminar el agua condensada en el aire
Los filtros se fabrican en diferentes modelos y deben tener drenajes accionados manualmente, semiautomática o automáticamente. Los depósitos deben construirse de material irrompible y transparente. Generalmente pueden limpiarse con cualquier detergente. Los filtros de plástico y los vasos no deberán limpiarse con disolventes. Generalmente trabajan siguiendo el siguiente proceso: El aire entra en el depósito a través de un deflector direccional, que le obliga a fluir en forma de remolino. Consecuentemente, la fuerza centrífuga creada arroja las partículas líquidas contra la pared del vaso y éstas se deslizan hacia la parte inferior del mismo, depositándose en la zona de calma. El aire acondicionado de esta manera atraviesa el filtro, en el que son separadas las partículas de suciedad restantes que tengan dimensiones superiores a los tamaños de los poros. La pantalla separadora evita que con las turbulencias del aire retornen las condensaciones. El aire continúa su trayecto hacia la línea pasando a través del
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elemento filtrante que retiene las impurezas sólidas. Al abrir el grifo son expulsadas al exterior las partículas líquidas y sólidas en suspensión. Los filtros tienen que ser sustituidos después de cierto tiempo, ya que las partículas de suciedad pueden obturarlos. Si bien es cierto que el efecto de filtración se mantiene incluso si el filtro está sucio, cabe tener en cuenta que un filtro sucio significa una resistencia mayor al flujo del aire. En consecuencia se produce una mayor caída de presión en el filtro. Los filtros normales tienen poros con dimensiones que oscilan entre 5 um y 40 um El agua no debe pasar del nivel marcado que normalmente traen los elementos, puesto que en la zona turbulenta el agua sería de nuevo arrastrada por el aire.
3.4.2. Regulador de presión El nivel de la presión del aire comprimido generado por el compresor no es constante. Las oscilaciones de la presión en las tuberías pueden incidir negativamente en las características de conmutación de las válvulas, en la velocidad de los cilindros y en la regulación del tiempo de válvulas de estrangulación y de retardo. En consecuencia, es importante que la presión del aire sea constante para que el equipo neumático no ocasione problemas. Para obtener un nivel constante de la presión del aire se instalan reguladores de presión en la red de aire a presión con el fin de procurar la uniformidad de la presión en el sistema de alimentación de aire comprimido (presión secundaria), independientemente de las oscilaciones que surjan en el circuito principal (presión primaria).
La presión de entrada (presión primaria) siempre tiene que ser mayor que la presión de salida (presión secundada) en la válvula reguladora de presión. La presión es regulada mediante una membrana. La presión de salida actúa sobre uno de los lados de la membrana, mientras que por el otro lado actúa un muelle. La fuerza del muelle puede ajustarse mediante un tornillo. Página 55
Si la presión aumenta en el circuito secundario, por ejemplo al producirse un cambio de cargas en un cilindro, la membrana es presionada contra el muelle, con lo que disminuye o se cierra el diámetro del escape en el asiento de la válvula. El asiento de la válvula abre y el aire a presión puede salir a través de los taladros de evacuación. Si disminuye la presión en el circuito secundario, el muelle se encarga de abrir la válvula. En consecuencia, la regulación de la presión de aire en función de una presión de trabajo ajustada con antelación significa que el asiento de la válvula abre y cierra constantemente por efecto del volumen de aire que pasa a través de ella. La presión de trabajo es indicada en un instrumento de medición. El regulador no precisa de mantenimiento, siempre y cuando se haya instalado delante de él un filtro de aire.
3.4.3. Lubricación del aire a presión Por lo general la lubricación de aire a presión ya no es necesaria en las instalaciones modernas. Solo debería aplicarse puntualmente, sobre todo en la sección de potencia de una instalación. El aire comprimido en la sección de mando no debería lubricarse. En términos generales, no debería lubricarse el aire a presión. No obstante, si las partes móviles de válvulas y cilindros requiriesen de lubricación, deberá enriquecerse el aire a presión constantemente con una cantidad suficiente de aceite. La lubricación del aire a presión debería siempre limitarse tan solo a los segmentos del sistema que necesiten lubricación. El aceite que pasa del compresor al aire a presión no es apropiado para la lubricación de elementos neumáticos.
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Los aceites que se emplean en el lubricador deben cumplir con lo siguiente: Ø Ser muy fluidos Ø Contener aditivos antioxidantes Ø Contener aditivos antiespumantes Ø No perjudicar los materiales de las juntas Ø Tener una viscosidad poco variable trabajando entre 20 y 50° C Ø No pueden emplearse aceites vegetales ( Forman espuma) El aire a presión debería contener aceite de lubricación en los siguientes casos: Ø Necesidad de operar con movimientos extremadamente veloces Ø Uso de cilindros de grandes diámetros (En este caso, es recomendable instalar la unidad de lubricación inmediatamente antes del cilindro) Si la lubricación es demasiado copiosa, pueden surgir los siguientes problemas: Ø Funcionamiento deficiente de elementos Ø Mayor contaminación del medio ambiente Ø Agarrotamiento de elementos después de períodos d e inactivación prolongados
3.5. ACUMULADORES Los fluidos usados en los sistemas hidráulicos no pueden ser comprimidos como los gases y así almacenarse para ser usados en diferentes lugares o a tiempos distintos. Un acumulador consiste en un depósito destinado a almacenar una cantidad de fluido incompresible y conservarlo a una cierta presión mediante una fuerza externa. El fluido hidráulico bajo presión entra a las cámaras del acumulador y hace una de estas tres funciones: comprime un resorte, comprime un gas o levanta un peso, y posteriormente cualquier caída de presión en el sistema provoca que el elemento reaccione y fuerce al fluido hacia fuera otra vez. Los acumuladores, en los cilindros hidráulicos se pueden aplicar como: Ø Ø Ø Ø Ø Ø Ø
Acumulador de energía Antigolpe de ariete Antipulsaciones Compensador de fugas Fuerza auxiliar de emergencias Amortiguador de vibraciones Transmisor de energía de un fluido a otro
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3.5.1. Acumulador de contrapeso
Pesos Pistón Aceite
El acumulador cargado por peso, ejerce una fuerza sobre el líquido almacenado, por medio de grandes pesos que actúan sobre el pistón o émbolo. Los pesos pueden fabricarse de cualquier material pesado, como hierro, concreto e incluso agua. Generalmente los acumuladores cargados por peso son de gran tamaño; en algunos casos su capacidad es de varios cientos de litros. Pueden prestar servicio a varios sistemas hidráulicos al mismo tiempo y usualmente son utilizados en fábricas y sistemas hidráulicos centrales. Su capacidad para almacenar fluidos a presión relativamente constante, tanto si se encuentran llenos como casi vacíos, representa una ventaja con respecto a otros tipos de acumuladores que no poseen esta característica. La fuerza aplicada por el peso sobre el líquido es siempre la misma independiente de la cantidad de fluido contenido en el acumulador. Una circunstancia desventajosa de los acumuladores cargados por peso es que generan sobrepresiones. Cuando se encuentran descargando con rapidez y se detienen repentinamente, la inercia del peso podría ocasionar variaciones de presión excesivas en el sistema. Esto puede producir fugas en las tuberías y accesorios, además de causar la fatiga del metal, lo cual acorta la vida útil de los componentes.
3.5.2. Acumulador cargado por muelle
Orifico de respiración
Muelle
Pistón
Aceite
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En los acumuladores cargados por resorte, la fuerza se aplica al líquido almacenado por medio de un pistón sobre el cual actúa un resorte. Suelen ser más pequeños que los cargados por peso y su capacidad es de sólo algunos litros. Usualmente dan servicio a sistemas hidráulicos individuales y operan a baja presión en la mayoría de los casos. Mientras el líquido se bombea al interior del acumulador, la presión del fluido almacenado se determina por la compresión del resorte. Si el pistón se moviese hacia arriba y comprimiera diez pulgadas al resorte, la presión almacenada sería mayor que en el caso de un resorte comprimido tan sólo cuatro pulgadas. A pesar de los sellos del pistón, cierta cantidad de fluido almacenado podría infiltrarse al interior de la cámara del resorte del acumulador. Para evitar la acumulación de fluido, un orificio de respiración practicado en la cámara permitirá la descarga del fluido cuando sea necesario.
3.5.3. Acumulador de Pistón Nitrógeno Pistón Aceite
Un acumulador de tipo pistón consiste en un cuerpo cilíndrico y un pistón móvil con sellos elásticos. El gas ocupa el volumen por encima del pistón y se comprime cuando el fluido entra al interior del cuerpo cilíndrico. Al salir el fluido del acumulador la presión del gas desciende. Una vez que todo el líquido ha sido descargado, el pistón alcanza el final de su carrera y cubre la salida manteniendo el gas dentro del acumulador.
3.5.4. Acumulador de gas no separado
N2 Gas
Aceite
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Los acumuladores de gas no separado consisten en un depósito en el que se coloca un volumen de fluido y a continuación se le da la presión al gas. Normalmente se instalan en circuitos donde el volumen de aceite tiene un máximo y un mínimo dentro del acumulador. Este acumulador es sencillo de construcción, económico y se puede realizar para caudales medianos. Tiene el inconveniente de que existe el peligro de que el gas se mezcle con el aceite.
3.5.5. Acumulador de Diafragma Gas Gas Aceite
Diafragma
El acumulador de tipo diafragma se compone de dos hemisferios metálicos atornillados juntos, pero cuyo volumen interior se halla separado por un diafragma de hule sintético, el gas ocupa el hemisferio superior. Cuando el fluido entra en el espacio inferior, el gas se comprime. Al descargar todo el líquido, el diafragma desciende hasta la salida y mantiene el gas dentro del acumulador. Este tipo de acumuladores son para caudales relativamente pequeños y presiones medias.
3.5.6. Acumulador de vejiga
Gas
Vejiga
Aceite
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El acumulador de tipo vejiga se compone de un casco de metal en cuyo interior se encuentra una vejiga de hule sintético que contiene al gas. Cuando el fluido entra al interior del casco, el gas en la vejiga se comprime. La presión disminuye conforme el fluido sale del casco, una vez que todo el líquido ha sido descargado, la presión del gas intenta empujar la vejiga a través de la salida del acumulador. Sin embargo, una válvula colocada encima del puerto de salida, interrumpe automáticamente el flujo cuando la vejiga presiona el tapón de la misma.
Observaciones Ø No cargar nunca un acumulador con oxígeno o con aire. Ø Descargar la presión hidráulica antes de quitar el acumulador. Ø Antes de despiezar el acumulador quitar presión hidráulica y presión de gas
3.6. DEPÓSITO O TANQUE Aspiración
Retorno
Tapa limpieza
Cámara de aspiración
Tabique separador
Cámara de retorno
La función natural de un tanque hidráulico es contener o almacenar el fluido de un sistema hidráulico.
En qué consiste un tanque hidráulico En un sistema hidráulico industrial, en donde no hay problemas de espacio y puede considerarse la obtención de un buen diseño, los tanques hidráulicos consisten de cuatro paredes (normalmente de acero), un fondo con desnivel, una tapa plana con una placa para montaje, cuatro patas, líneas de succión, retorno y drenaje; tapón de drenaje, indicador de nivel de aceite; tapón para llenado y respiración; una cubierta de registro para limpieza y un tabique separador o placa deflectora.
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Además de funcionar como un contenedor de fluido, un tanque también sirve para enfriar el fluido, permitir asentarse a los contaminantes y el escape del aire retenido. Cuando el fluido regresa al tanque, una placa deflectora bloquea el fluido de retorno para impedir su llegada directamente a la línea de succión. Así se produce una zona tranquila, la cual permite sedimentarse a las partículas grandes de suciedad, que el aire alcance la superficie del fluido y da oportunidad de que el calor se disipe hacia las paredes del tanque. La desviación del fluido es un aspecto muy importante en la adecuada operación del tanque. Por esta razón, todas las líneas que regresan fluido al tanque deben colocarse por debajo del nivel del fluido y en el lado de la placa deflectora opuesto al de la línea de succión.
3.7. FILTROS HDRÁULICOS Para prolongar la vida útil de los aparatos hidráulicos es de vital importancia emplear aceites limpios, de buena calidad y no contaminado. La limpieza de los aceites se puede lograr reteniendo las partículas nocivas o dañinas y efectuando los cambios de aceite en las fechas y periodos que establecen los fabricantes o que determinan las especificaciones técnicas del aceite y/o elementos del circuito. otros: Ø Ø Ø Ø
Los elementos que constituyen contaminantes para el aceite pueden ser entre Agua Ácidos Hilos y fibras Polvo, partículas de junta y pintura
y el elemento que debe retener estos contaminantes es el filtro. Para evitar que los aceites entren en contacto con elementos contaminantes; puede procurarse lo siguiente: 1. 2. 3. 4. 5.
En reparaciones, limpiar profusamente limpiar el aceite antes de hacerlo ingresar al sistema cambiar el aceite contaminado periódicamente contar con un programa de mantención del sistema hidráulico cambiar o limpiar los filtros cuando sea necesario
3.7.1. Elementos filtrantes La función de un filtro mecánico es remover la suciedad de un fluido hidráulico. Esto se hace al forzar la corriente fluida a pasar a través de un elemento filtrante poroso que captura la suciedad. Los elementos filtrantes se dividen en dos tipos: de profundidad y de superficie.
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Elementos tipo profundidad Los elementos tipo profundidad obligan al fluido a pasar a través de muchas capas de un material de espesor considerable. La suciedad es atrapada a causa de la trayectoria sinuosa que adopta el fluido. El papel tratado y los materiales sintéticos son medios porosos comúnmente usados en elementos de profundidad. 1. Papel micronic. Son de hoja de celulosa tratada y grado de filtración de 5 a 160 µ. Los que son de hoja plisada aumenta la superficie filtrante. 2. Filtros de malla de alambre. El elemento filtrante es de malla de un tamiz más o menos grande, normalmente de bronce fosforoso. 3. Filtros de absorción. Así como el agua es retenida por una esponja, el aceite atraviesa el filtro. Son de algodón, papel y lana de vidrio. 4. Filtros magnéticos. Son filtros caros y no muy empleados; deben ser estos dimensionados convenientemente para que el aceite circule por ellos lo mas lentamente posible y cuanto mas cerca de los elementos magnéticos mejor, para que atraigan las partículas ferrosas
Elementos de tipo superficie En un elemento filtrante tipo superficie la corriente de fluido tiene una trayectoria de flujo recta, a través de una capa de material. La suciedad es atrapada en la superficie del elemento que está orientada hacia el flujo del fluido. La tela de alambre y el metal perforado son tipos comunes de materiales usados en los elementos de superficie.
3.8. Válvulas Para el control de los órganos de trabajo es preciso disponer de otros elementos que realicen funciones de mando (puesta en marcha, paro, retroceso, avance rápido), de acuerdo con el trabajo que aquéllos deban efectuar. Estos elementos de control son las válvulas. Para tener una visión amplia y completa de las mismas es conveniente estudiarlas desde el punto de vista tecnológico y funcional. Las válvulas encargadas de distribuir adecuadamente el aire comprimido para que tenga lugar el avance y el retroceso de los cilindros son las válvulas distribuidoras. Además, existen válvulas de regulación, de bloqueo y de caudal.
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Los sistemas neumáticos e hidráulicos lo constituyen: Ø Elementos de información Ø Órganos de mando Ø Elementos de trabajo
Para el tratamiento de la información y órganos de mando es preciso emplear aparatos que controlen y dirijan el flujo de forma preestablecida, lo que obliga a disponer de una serie de elementos que efectúen las funciones deseadas relativas al control y dirección del flujo del aire comprimido o aceite. En los principios del automatismo, los elementos reseñados se mandan manual o mecánicamente. Cuando por necesidades de trabajo se precisaba efectuar el mando a distancia, se utilizaban elementos de comando por émbolo neumático (servo). Actualmente, además de los mandos manuales para la actuación de estos elementos, se emplean para el comando procedimientos servo-neumáticos y electroneumáticos que efectúan en casi su totalidad el tratamiento de la información y de la amplificación de señales. La gran evolución de la neumática y la hidráulica han hecho, a su vez, evolucionar los procesos para el tratamiento y amplificación de señales, y por tanto, hoy en día se dispone de una gama muy extensa de válvulas y distribuidores que nos permiten elegir el sistema que mejor se adapte a las necesidades. Hay veces que el comando se realiza neumáticamente o hidráulicamente y otras nos obliga a recurrir a la electricidad por razones diversas, sobre todo cuando las distancias son importantes y no existen circunstancias adversas. Las válvulas en términos generales, tienen las siguientes misiones: Ø Distribuir el fluido Ø Regular caudal Ø Regular presión
3.8.1. Válvulas distribuidoras En este grupo pueden establecerse dos categorías básicas según las características del órgano distribuidor; a saber: ♦ Válvulas de asiento. Se caracterizan por tener un recorrido de actuación pequeño y
necesitar gran fuerza de accionamiento. A su vez, estas válvulas se dividen, por la forma del asiento, en otras dos: 1. válvulas de asiento plano 2. válvulas de asiento cónico Las primeras llevan un platillo que asienta sobre una superficie plana y las segundas tienen una bola o semiesfera que ajusta en un avellanado cónico. Tanto en unas como en otras la fuerza de actuación es relativamente considerable porque debe vencer la acción del muelle y además la presión del aire comprimido. Por el contrario, un pequeño desplazamiento basta para abrir todo el paso útil de la válvula.
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♦ Válvulas de corredera. Se caracterizan por tener un gran recorrido de actuación y
necesitar una pequeña fuerza de accionamiento. Pueden ser de corredera propiamente dicha y de corredera y cursor, ejecución más moderna y ventajosa que la primera. Válvula 3/2 NC leva-resorte (de asiento plano)
Válvula de corredera
Pasaje A
Pasaje B
Cuerpo de la Válvula
Pasaje hacia la bomba
Pasaje hacia el tanque
Válvula de corredera y cursor
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Válvula 3/2 NC Aire-resorte
Válvula 4/3 CC de palanca con enclavamiento
Válvula 5/2 aire-aire
Válvula 5/3 CC aire-aire centrada por resorte/
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Válvula selectora
Válvula de simultaneidad
Válvula reguladora de caudal Bidireccional
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Válvula reguladora de caudal unidereccional
Válvula temporizadora
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3.8.2. Representación de las válvulas distribuidoras Para ello se recurre a la representación simbólica, sin que esto sea obstáculo para que en ella se contemple la funcionalidad de la válvula y algunos aspectos de la tecnología constructiva empleada. Las posiciones que adopta el órgano distribuidor (abierta, cerrada, en reposo.se representan por cuadrados; tantos como posiciones exista, dibujados uno a continuación de otro. Los conductos interiores de las válvulas determinan los orificios de entrada o salida del aire. Dichos orificios se llaman vías y se representan por pequeños trazos sobre las bases superiores e inferiores de los cuadrados que indican la posición de reposo. La salida de aire se representa por un triángulo equilátero. Las vías se unen mediante líneas rectas que representan las conducciones interiores que se establecen y el sentido de circulación del aire se define por flechas. Un pequeño trazo perpendicular a una vía indica que ésta se encuentra cerrada. El órgano de accionamiento de la válvula suele indicarse en la posición de trabajo y el órgano de recuperación (por ejemplo, muelle) en la de reposo.
3.8.3. Representación esquemática de válvulas Para representar las válvulas distribuidoras en los esquemas de circuitos se utilizan símbolos, éstos no dan ninguna orientación sobre el método constructivo de la válvula; solamente indican su función. ♦ Las posiciones que puede ocupar una válvula se representan por medio de
cuadrados.
♦ La cantidad de cuadrados indica la cantidad de posiciones de una válvula
♦ El funcionamiento se representa en el interior de las casillas(cuadrados) ♦ Las líneas representan tuberías o conductos ♦ Las flechas el sentido de circulación del fluido
♦ Las posiciones de cierre dentro de las casillas se representan mediante líneas en "T"
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3.8.4. Nomenclatura de las válvulas 1.-Las válvulas se identifican por número de vías y por número de posiciones, del modo siguiente: Ejemplo: 5/2 = Válvula de 5 vías 2 posiciones 3/2 = Válvula de 3 vías 2 posiciones 2/2 = Válvula de 2 vías 2 posiciones 4/3 = Válvula de 4 vías 3 posiciones 2.-Gráficamente el número de cuadrados indica el número de posiciones y el número de puntos en que las líneas internas de una casilla tocan con las líneas horizontales de la misma casilla corresponden al número de vías. Ejemplos: Válvula 2/2
Válvula 3/2
Válvula 4/2
Válvula 5/2
Válvula 5/3
3.-Los empalmes se designan con letras mayúsculas o números del modo que a continuación se señalan:
Tipos de vías Vías o ductos de trabajo
Letras A-B-C
Números 2-4-6
Presión (alimentación de) P
1
Escapes
R-S-T
3-5-7
Ductos de pilotaje
X-Y-Z
12 - 14 - 16
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3.8.5. Accionamientos de una válvula 1.-Accionamientos musculares
2.-Accionamientos mecánicos
3.-Accionamientos eléctricos
4.-Accionamiento neumáticos
5.-Accionamiento combinado
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3.9. Actuadores neumáticos Un actuador o elemento de trabajo transforma la energía en trabajo. La señal de salida es controlada por el mando y el actuador reacciona a dicha señal por acción de los elementos de maniobra. Los actuadores neumáticos pueden clasificarse en dos grupos según el movimiento, si es lineal o giratorio: Movimiento rectilíneo(movimiento lineal) ♦ Cilindro de simple efecto ♦ Cilindro de doble efecto Movimiento giratorio ♦ Motor neumático ♦ Actuador giratorio ♦ Accionamiento oscilante
3.9.1. Cilindro de simple efecto, retorno por muelle Los cilindros de simple efecto reciben aire a presión sólo en un lado. Estos cilindros sólo pueden ejecutar el trabajo en un sentido. El retroceso está a cargo de un muelle incluido en el cilindro o se produce por el efecto de una carga externa. La fuerza del muelle hace retroceder el vástago del cilindro a suficiente velocidad, pero sin que el cilindro pueda soportar una carga
En los cilindros de simple efecto con muelle de reposición, la carrera está definida por la longitud del muelle. en consecuencia, los cilindros de simple efecto tienen una longitud máxima de aproximadamente 80 mm. Por su diseño, los cilindros de simple efecto pueden ejecutar diversas funciones de movimientos denominados de alimentación, tales como los que se mencionan a continuación: ♦ Entregar ♦ Bifurcar ♦ Juntar Página 72
♦ Accionar ♦ Fijar ♦ Expulsar
Los cilindros de simple efecto están equipados con una junta simple en el émbolo, en el lado sometido a presión. La estanqueidad de los cilindros de metal o plástico se logra utilizando un material flexible (Perbunán). Los bordes de la junta se deslizan a lo largo de la camisa del cilindro cuando éste ejecuta los movimientos. Los cilindros de simple efecto también pueden ser de los siguientes tipos: ♦ Cilindros de membrana . ♦ Cilindros de membrana enrollable
3.9.2. Cilindro de simple efecto, de membrana En los cilindros de membrana, una membrana de goma, de plástico o de metal hace las veces de émbolo. El vástago está fijado en el centro de la membrana. Estos cilindros de carrera corta son utilizados para ejecutar trabajos de fijación, prensado y elevación.
3.9.3. Cilindros de doble efecto El diseño de estos cilindros es similar al de los cilindros de simple efecto. No obstante, los cilindros de doble efecto no llevan muelle de reposición y, además, las dos conexiones son utilizadas correspondientemente para la alimentación y la evacuación del aire a presión. Los cilindros de doble efecto ofrecen la ventaja de poder ejecutar trabajos en ambos sentidos. Se trata, por lo tanto, de cilindros sumamente versátiles. La fuerza ejercida sobre el vástago es algo mayor en el movimiento de avance que en el de retroceso porque la superficie en el lado del émbolo es más grande que en el lado del vástago. Los cilindros de doble efecto tienen las siguientes aplicaciones y su desarrollo manifiesta tener las siguientes tendencias: ♦ Detección sin contacto - Utilización Utilización de imanes en el lado lado del vástago para activar
contactos ♦ Frenado de cargas pesadas ♦ Uso de cilindros sin vástago en espacios espacios reducidos Página 73
♦ Uso de materiales materiales diferentes, como por ejemplo plástico ♦ Recubrimiento protector contra daños ocasionados por el medio ambiente (por
ejemplo, recubrimiento resistente a los ácidos) ♦ Mayor resistencia ♦ Aplicaciones en la robótica con características especiales, tales como vástagos huecos para uso de ventosas.
3.9.4. Cilindro de doble efecto con amortiguación Si un cilindro tiene la función de mover grandes masas, los amortiguadores de final de carrera se encargan de evitar un golpe seco y, por tanto, un daño de los cilindros. Un émbolo amortiguador interrumpe la evacuación directa del aire hacia afuera antes de que el cilindro llegue a su posición de final de carrera. En vez de ello, queda abierta una salida pequeña que por lo general es regulable. La velocidad del de l cilindro es reducida red ucida en la última parte del movimiento de de retroceso. Deberá procurarse que los tornillos de ajuste nunca estén totalmente cerrados, ya que de lo contrario el vástago no podrá alcanzar su posición de final de carrera. Si las fuerzas son muy elevadas y si la aceleración es considerable, deberán adoptarse medidas adicionales para solucionar el problema. Concretamente, pueden instalarse amortiguadores externos para aumentar el efecto de frenado. Forma correcta de frenar: ♦ Cerrar completamente el tomillo de ajuste. ♦ Abrir paulatinamente el tornillo de ajuste hasta que se alcance alcance el valor deseado. deseado.
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3.9.5. Cilindro tandem Se trata de un conjunto de dos cilindros de doble efecto. Su diseño y la aplicación simultánea de presión en ambos émbolos permiten casi duplicar la fuerza del vástago. Este tipo de cilindro es utilizado en todos los casos en los que es necesario disponer de una gran fuerza y no se dispone del espacio suficiente para un diámetro grande del cilindro.
3.9.6. Cilindro de doble efecto doble vástago Este cilindro tiene hacia ambos lados un vástago. El vástago es continuo. La guía del vástago es mejor, ya que dispone de dos cojinetes. En ambos sentidos de movimiento la fuerza es igual de potente. El vástago continuo puede ser hueco. De este modo puede aplicarse para el paso de distintos medios, p.ej. aire a presión. También es posible una conexión de vacío.
3.9.7. Cilindro de impacto Las fuerzas de presión de los cilindros neumáticos están limitadas. Un cilindro para elevadas energías cinéticas es el cilindro de impacto. La elevada energía cinética se alcanza aumentando la velocidad del émbolo. La velocidad del émbolo del cilindro de impacto está entre 7,5 m/s y 10 m/s. Pero la velocidad disminuye rápidamente en caso de grandes recorridos. Por consiguiente, el cilindro de impacto no es apropiado para grandes carreras. Mediante la activación de una válvula se forma presión en la cámara A. Si el cilindro se mueve en dirección Z, queda libre toda la superficie del émbolo. A
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continuación el aire de la cámara A podrá circular rápidamente a través de la gran sección transversal C. El émbolo es fuertemente acelerado.
3.9.8. Cilindro multiposicional El cilindro multiposicional está compuesto de dos o varios cilindros de doble efecto. Los cilindros están unidos entre sí. Los distintos cilindros avanzan según la impulsión de aire a presión que reciben. Con dos cilindros de distinta carrera se obtienen cuatro posiciones
3.9.9. Cilindro giratorio En esta ejecución de cilindros de doble efecto el vástago dispone de un perfil dentado. El vástago acciona una rueda dentada, de un movimiento lineal resulta un movimiento giratorio. Los márgenes de giro son distintos, desde 45º, 90º, 180º, 270º hasta 360º. El par de giro depende de la presión, la superficie del émbolo y la transmisión.
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3.9.10. Cilindros sin vástago Para la construcción de cilindros sin vástago se aplican tres principios de funcionamiento distintos: ♦ Cilindro de cinta o de cable ♦ Cilindro de cinta selladora con camisa ranurada ♦ Cilindro con acoplamiento magnético del carro
En comparación con los cilindros de doble efecto habituales, los cilindros sin vástago ofrecen una longitud de montaje más corta. Se elimina el riesgo de torsión del vástago y el movimiento puede realizarse a lo largo de toda la longitud de carrera. Este tipo de cilindros es utilizado principalmente para carreras extremadamente largas de hasta 10 m. En la superficie del carro pueden montarse directamente diversos equipos, cargas y otros. La fuerza es la misma en ambos sentidos de movimiento.
3.9.11. Cilindro de cinta En los cilindros de cinta la fuerza del émbolo es transmitida mediante una cinta rotativa. Al salir de la cámara del émbolo la cinta pasa por una junta. En las culatas de los cilindros la cinta cambia de dirección a través de rodillos guías. Los separadores de suciedad evitarán que lleguen impurezas a través de las cintas a los rodillos guía.
3.9.12 Cilindro con acoplamiento magnético Este accionamiento lineal neumático de doble efecto está compuesto de una camisa, un émbolo y un carro exterior móvil montado sobre el cilindro. El émbolo y el carro exterior están provistos de imanes permanentes. La transmisión del movimiento del émbolo hacia el carro se efectúa con la misma fuerza mediante el acoplamiento magnético. En el momento en que el émbolo es sometido a presión, el carro se desplaza de modo sincronizado en relación con el émbolo. La camisa del cilindro está herméticamente cerrada en relación con el carro, puesto que entre los dos no existe conexión mecánica alguna. En consecuencia, tampoco es posible que se produzcan fugas.
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