TX-TMP-0001 MP Hidráulica Básica

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Manual de Contenido del Participante

Hidráulica Básica

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TX-TMP-0001 ESPAÑOL

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Propósito y Objetivos de este Manual

Este manual tiene como propósito familiarizar a los colaboradores de Ternium con las bases de la Hidráulica, sus usos y aplicaciones en el lugar de trabajo, brindando información y proponiendo actividades que permitan un mayor conocimiento de sus principios. Al finalizar la capacitación Ud. estará en condiciones de:

Definir los conceptos fundamentales implicados en la Hidrodinámica y la Hidrostática; tales como hidráulica, fluidos, fuerza, masa, peso y densidad.

Describir los conceptos y características de presión y viscosidad.

Describir los principios generales de operación de la Hidráulica.

Explicar el funcionamiento general de los diferentes elementos hidráulicos, tales como motores, bombas, cilindros, válvulas y otros.

Es importante comprender las consecuencias que el desconocimiento de los conceptos y principios explicados en este manual puede ocasionar en la seguridad y calidad del producto final.

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Cómo Utilizar este Manual

Este manual le muestra cuáles son los conceptos fundamentales y principios básicos de la Hidráulica.

CAPÍTULO 1 Conceptos Fundamentales

5

CAPÍTULO 8 Tuberías y Conexiones

75

CAPÍTULO 2 Presión

18

CAPÍTULO 9 Válvulas

85

CAPÍTULO 3 Viscosidad

26

CAPÍTULO 10 Accesorios

92

CAPÍTULO 4 36 Principios de la Hidráulica

CAPÍTULO 11 102 Propiedades de los Fluidos Hidráulicos

CAPÍTULO 5 59 Transmisión de la Potencia Hidráulica

CAPÍTULO 12 118 Ventajas Y Desventajas de la Hidráulica

CAPÍTULO 6 Motores y Bombas Hidráulicos

62

CAPÍTULO 13 125 Simbología en el Sistema Hidráulico

CAPÍTULO 7 Cilindros Hidráulicos

71

Cómo Utilizar este Manual

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El manual contiene pequeñas figuras que se repiten en todos los capítulos y que son una forma de organización de la información para hacer más fácil y dinámica la lectura. Estas figuras se denominan íconos. A continuación hay una descripción de la utilización de cada ícono, es decir en qué oportunidad aparecen:

GLOSARIO

RECUERDE

ANEXO

Explica términos y siglas.

Refuerza un concepto ya mencionado en el texto del manual.

Profundiza conceptos.

MANTENIMIENTO

PREGUNTAS

ATENCIÓN

Resalta procedimientos necesarios de mantenimiento.

Presenta preguntas disparadoras.

Destaca conceptos importantes.

EJEMPLO

ACTIVIDAD

EXAMEN FINAL

Ilustra con situaciones reales los temas tratados.

Señala el comienzo de un ejercicio que le permitirá reforzar lo aprendido.

Señala el comienzo de la evaluación final.

FIN DE CAPÍTULO

FIN DE MANUAL

Señala la finalización del capítulo.

Señala la finalización del manual.

1

Generalidades Hidráulicas

Conceptos Fundamentales TEMAS DEL CAPÍTULO 1 1.1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7

En este capítulo se define la Hidrodinámica y la Hidrostática, y los conceptos fundamentales implicados en ambas ciencias.

Hidráulica Hidrodinámica Hidrostática Fluidos Fuerza Masa Peso Densidad

6 8 9 11 13 14 15 16

6 / 135

Introducción

1.1 Hidráulica

¿QUÉ ES LA HIDRÁULICA? La Hidráulica es la ciencia que estudia la transmisión de fuerza y movimiento a través de un medio líquido. Abarca cualquier estudio de fluido en movimiento.

¿EN QUÉ SE APLICA? La potencia hidráulica se usa prácticamente en cada rama de la industria: máquinas, herramientas, en el automóvil, en un tractor, un aeroplano, un proyectil, un satélite artificial, un bote, etc.

¿POR QUÉ? La razón de este uso tan difundido es que el fluido es una de las formas más versátiles de transmitir potencia y modificar movimientos.

ATENCIÓN

En este manual se pueden presentar características generales de elementos, fluidos o sistemas; sin embargo, al momento de aplicarlos, se deben tomar en cuenta las especificaciones y aplicaciones recomendadas por Ingeniería, y por el fabricante y aplicar las reglas de seguridad.

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1. Conceptos Fundamentales

ACTIVIDAD En el comienzo de este Manual, introdujimos el concepto de Hidráulica y la razón de su importancia actual. La siguiente actividad tiene como objetivo comenzar a familiarizarnos con el aspecto físico de los sistemas hidráulicos. Indique cuál de las siguientes figuras constituyen ejemplos de Hidráulica.

1

3

4 2

5

8 / 135


1.2

Hidrodinámica

¿Qué estudia la Hidrodinámica? La Hidrodinámica estudia la mecánica de los fluidos en movimiento.

Una rueda de agua o turbina representa un aparato hidrodinámico, en este caso la energía es transmitida por el impacto del fluido sobre los alabes de la turbina, el cual genera el movimiento de la turbina.

GLOSARIO

RECUERDE

FLUIDOS

La Hidrodinámica es una de las formas de generación de energía más sustentables.

Son sustancias líquidas o gaseosas. ALABES

Son perfiles aerodinámicos que reciben el fluido y lo hacen cambiar de velocidad y presión, absorbiendo así la energía. Van sujetos al eje, formando las llamadas ruedas. ENERGÍA

Es la habilidad o capacidad para hacer un trabajo. Se mide en unidades de trabajo.


1.3

9 / 135

Hidrostática

¿Qué estudia la Hidrostática? La hidrostática estudia la mecánica de los fluidos en reposo.

En un aparato hidrostático, como el de la figura, la fuerza es transmitida a todo el recipiente al empujar el vástago. El líquido debe moverse o fluir para provocar movimiento, pero el movimiento es proporcional a la fuerza producida.

¿Para qué sirve? La hidrostática está presente en muchas de las cosas que utilizamos diariamente, como los amortiguadores de nuestro automóvil, los circuitos de frenos, el sillón regulable de la oficina, la puerta que cierra automáticamente. Arquímedes y Pascal fueron los precursores de esta ciencia y establecieron principios que se aplican desde los usos más simples hasta las modernas naves espaciales.

GLOSARIO

PISTÓN O ÉMBOLO Es una parte de forma cilíndrica, la cual se ajusta dentro de un cilindro, y transmite o recibe movimiento por medio de un vástago conector. VÁSTAGO

Barra sujeta al centro de una de las dos caras del émbolo o pistón, que sirve para darle movimiento o transmitir el suyo a algún mecanismo.

10 / 135


ACTIVIDAD La siguiente actividad le permitirá repasar los conceptos de hidrodinámica e hidrostática, y sus principales diferencias.

Complete correctamente las oraciones.

1

A) ENERGÍA

B) FUERZA

C) HIDRODINÁMICO

D) HIDROSTÁTICO

E) AERODINÁMICA

F) LA HIDRODINÁMICA

G) EN REPOSO

H) MOVIMIENTO

La mecánica de los fluidos en estudiada por

2

3

.

La hidrostática estudia la mecánica de los fluidos

En un aparato

a la

4

es

En un aparato

, el movimiento es proporcional

producida.

, la

es transmitida por el impacto del fluido sobre los alabes de la turbina.

.

11 / 135


1.3

Fluidos

Todas las sustancias que existen en la naturaleza se dividen en sólidas, líquidas y gaseosas .

SÓLIDO

GAS

LÍQUIDO

¿Qué son los fluidos? Se consideran fluidos las sustancias líquidas y gaseosas, las cuales tienen propiedades fundamentales que las diferencian de las sustancias sólidas.

LÍQUIDO FLUIDO

GAS SÓLIDO

PARA PENSAR

¿Sabía que los fluidos tienen la capacidad para ser conducidos atravesando cualquier conducto sin importar su forma?

12 / 135


¿CÓMO SE DIFERENCIAN LOS FLUIDOS?

LÍQUIDO

Los líquidos mantienen un volumen constante Un líquido se puede considerar incompresible

GAS

Los gases ocupan todo el volumen del recipiente que los contiene.

El gas es muy compresible.

EJEMPLO

Un ejemplo de fluido al que hacemos cambiar de estado es el agua al ponerla a hervir. El vapor que se desprende es el cambio de un estado al otro. Si ese vapor fuera comprimido en un tubo a alta presión podría llegar a ocupar menos espacio que en el estado líquido anterior ya que en estado gaseoso se torna compresible. El gas licuado es otro ejemplo de fluido.

13 / 135


1.4

Fuerza (F)

¿Qué es la fuerza? La fuerza es un empuje ejercido sobre un objeto para cambiarlo de posición o movimiento. Lo anterior incluye el arranque, el paro y el cambio de velocidad o dirección del movimiento.

UNIDADES DE MEDIDA NEWTON

N

KILOGRAMO FUERZA O

Kgf

KILOPONDIO

lbf

LIBRA FUERZA

¿Cómo se calcula la fuerza? La fuerza se calcula mediante la siguiente fórmula:

Fórmula

Fuerza (F)

= Presión (P) X Área (A)

¿Cómo se aplica la fórmula? A continuación vemos un ejemplo de cómo se calcula la fuerza que debe aplicarse a un área de 2 m² para que soporte una presión de 2000kPa.

Presión (P) Área (A) Aplicación

=

=

2000KPa

2 m2

= PXA F = 2000 Kpa X 2 m2 F = 4000 N F

14 / 135


1.5

Masa (m)

¿Qué es la masa? Todos los objetos o sustancias tienen masa. Ésta representa la cantidad de materia en un objeto. La masa de un objeto determina su peso en la tierra o en cualquier otro campo gravitatorio, algunas de sus unidades son los Kg, g, lb, entre otras. La inercia de un objeto determina la cantidad de fuerza que se requiere para levantarlo, moverlo, o cambiar su velocidad de dirección o movimiento.

UNIDADES DE MEDIDA KILOGRAMO

Kg

LIBRA

lb

¿Cómo se calcula la masa? La masa se calcula mediante la siguiente fórmula:

Fórmula

Masa (m)

=

Peso (w)

/

Gravedad (g)

¿Cómo se aplica la fórmula? A continuación vemos un ejemplo de cómo se calcula la masa de un ladrillo que tiene un peso de 20 N y la aceleración de la gravedad es de 9.8 m/s2.

Peso (w) Aplicación

=

20 N

Gravedad (g)

= m= m= m

w/g 20 N

/

=

9.8 m/s2

9.8 m/s2

2.04 Kg

15 / 135


Peso (w)

1.6

¿Cómo se determina el peso? El peso de un objeto se define como su masa multiplicada por la aceleración de la gravedad y puede estar expresado en N, lb, entre otras.

UNIDADES DE MEDIDA NEWTON

N

KILOGRAMO FUERZA

Kg

LIBRA FUERZA

lb

f

f

¿Cómo se calcula el peso? El peso se calcula mediante la siguiente fórmula:

Fórmula

Peso (w)

=

Masa (m) X Gravedad (g)

Aclaración g

Aceleración de la gravedad (9.8 m/s², 32.2 pie/s², son los valores más usuales)

¿Cómo se aplica la fórmula? A continuación vemos el ejemplo de una persona que tiene una masa de 78 Kg y la aceleración de la gravedad es de 9.8 m/s2.

Masa (m) Aplicación

=

Gravedad (g)

78 Kg

=

9.8 m/s2

= mXg w = 78 Kg X 9.8 m/s2 w = 764.4 N w

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1.7

Densidad (ρ)

¿Cómo se determina la densidad? La densidad de un material o un objeto es su masa dividida por la unidad de volumen. Aclaración

Volumen (V)

Algunas de sus unidades usuales son m³, litros, entre otros.

UNIDADES DE MEDIDA KILOGRAMO POR METRO CÚBICO

Kg/m³

GRAMO POR CENTÍMETRO CÚBICO

gr/cm³

LIBRA POR PIE CÚBICO

lb/pie³

KILOGRAMO POR PULGADA CÚBICA

Kg/in3

¿Cómo se calcula la densidad? La densidad se calcula mediante la siguiente fórmula:

Fórmula

Densidad (ρ)

=

Masa (m)

/

Volumen (v)

¿Cómo se aplica la fórmula? A continuación vemos un ejemplo de aceite que tiene una masa de 2.268 gr y ocupa un volumen de 1.230 cm3.

Masa (m) Aplicación

=

Volumen (v)

= ρ= ρ= ρ

m

/

2.268 gr

=

1.230 cm3

v

2.268 gr

/

1.230 cm3

1.84 gr/cm3

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ACTIVIDAD Las actividades propuestas a continuación le servirán para reforzar los conceptos de masa, fuerza y densidad, y sus respectivas fórmulas.

Indique las afirmaciones correctas.

1

La masa representa la cantidad de materia en un objeto.

2

La fuerza es un empuje sobre un objeto para cambiarlo de posición o movimiento.

3

La densidad de un objeto o material es su masa dividida por su unidad de peso.

Complete las fórmulas utilizando unidades del siguiente cuadro, e indique en las líneas de puntos a qué concepto fundamental de la Hidráulica corresponde cada fórmula.

m

A

lb

W

F

cm

ρ

g

Kg

Gr

F = P x __ __ = mg

ρ = __ / v

s m = w / __

V

P

¡Felicitaciones! Usted ha finalizado el capítulo 1. A continuación se desarrollará el capítulo Presión.

2


Presión TEMAS DEL CAPÍTULO 2 2 Presión 2.1 Origen de la presión 2.2 Tipos de presión Presión absoluta Presión relativa (manométrica) Presión atmosférica 2.3 Medición de un vacío

La presión es un factor fundamental en un sistema hidráulico. Su origen, definición, tipos y formas de calcularla, son los temas centrales de este capítulo.

19 21 23

25

19 / 135

2. Presión

2

Presión (P)

¿Qué es la presión? Cuando sobre una superficie (área) se ejerce una fuerza el resultado obtenido es una presión. En la figura se ilustra el concepto de presión.

Se puede decir que presión es una tendencia a la expansión (o resistencia a la compresión) que se presenta en un fluido que está siendo comprimido.

¿Cómo se calcula la presión ? La presión se calcula mediante la siguiente fórmula:

Fórmula

Presión (P)

=

Fuerza (F)

/ Área (A)

UNIDADES DE MEDIDA DE PRESIÓN

¿Cómo se aplica la fórmula ?

Pascal (N/m2)

Psi (lb/in²)

A continuación se calcula la presión ejercida por un cuerpo de 400 N al descansar sobre una área de 0.4 m².

mm Hg (milímetros de mercurio)

Pies de columna de agua Fuerza (F)

Atm (Atmósfera)

Kgf/m²

lbf/pie²

bar

Área (A) Aplicación

= P= P= P

=

=

400 N

0.4 m2

F/A 400 N / 0.4 m2 1000 Pa

20 / 135

2. Presión

¿Cómo se determina la presión? En un sistema hidráulico en movimiento la presión viene dada por la resistencia al flujo.

Para ilustrar mejor este principio, considere el flujo dado por la bomba hidráulica de la figura. La bomba está produciendo flujo, no presión. Sin embargo, la presión resultará de la restricción de dicho flujo.

Un dispositivo hidráulico que utiliza el impacto o energía cinética del líquido para transmitir potencia, se denomina dispositivo hidrodinámico y cuando el dispositivo se opera mediante la fuerza aplicada a un líquido confinado, se lo denomina dispositivo hidrostático; en este caso, la presión resulta ser la fuerza aplicada, distribuida en toda el área libre y se expresa como fuerza entre unidad de área.

GLOSARIO CONFINAR

Recluir dentro de límites.

Como se mencionó con anterioridad, la presión es la cantidad de fuerza (la fuerza F se puede medir, ya sea en N o lb f, etc.), ejercida sobre un objeto, dividida por el área en la cual se está ejerciendo la fuerza (el área “A” se mide, ya sea en m², in², cm², etc.).

ATENCIÓN

La ciencia de la Hidráulica abarca a cualquier dispositivo accionado mediante algún líquido (aceite, agua, etc.). Una rueda de agua o turbina de agua, por ejemplo, es un dispositivo hidráulico. Sin embargo, el significado de Hidráulica se ha ampliado a cubrir la conducta física de todos los líquidos, incluso los aceites que se usan en los sistemas hidráulicos modernos.

21 / 135

2. Presión

2.1

Origen de la Presión

¿Cómo se genera la presión?

¿La presión es siempre igual?

La presión se origina siempre que existe una resistencia al flujo de un fluido o a una fuerza que trata de hacer fluir al fluido.

En una masa de agua la presión aumenta con la profundidad. La presión es siempre la misma a una profundidad determinada, debido al peso del agua que hay arriba de ese nivel.

La tendencia a originar flujo (o el empuje) puede ser suministrado por una bomba mecánica o simplemente por el peso propio del fluido.

Un sabio llamado Torricelli demostró que si se abre un orificio en la parte inferior de un depósito de agua, ésta sale con mayor velocidad cuando el depósito está lleno y disminuye la cantidad de agua al ir decreciendo el nivel de la misma. En otras palabras, a medida que disminuye el “potencial” del agua por arriba del orificio, decrece también la presión.

¿QUÉ MEDIDA EXPRESÓ TORRICELLI?

Torricelli sólo pudo expresar la presión de la parte inferior del depósito como “pies de potencial”, es decir, como la altura en pies de la columna de agua.

¿QUÉ ES POSIBLE MEDIR HOY? Actualmente, al contar con la libra por pulgada cuadrada (psi o kg/cm²) como unidad de presión, podemos expresar la presión de ésta en cualquier parte de un líquido o gas, en términos más convenientes. Lo único que se requiere es conocer el peso de un pie cúbico del fluido.

22 / 135

2. Presión

EJEMPLO

En un sistema hidrodinámico la presión viene dada por la resistencia al flujo.

En un sistema hidrostático la presión es la fuerza aplicada a un líquido confinado.

ACTIVIDAD Reforzar el concepto de presión y su fórmula es el objetivo de las siguientes actividades.

Determine si las afirmaciones son verdaderas o falsas.

1

Cuando se ejerce una fuerza sobre un área el resultado es una presión.

2

La presión disminuye con la profundidad.

3

El empuje puede ser ejercido por el peso del fluido.

Indique la fórmula correcta de presión .

P

=

A

/

F

P

=

F

/

A

P

=

A X F

ρ

=

m

/

v

23 / 135

2. Presión

2.2

Tipos de Presión

LA PRESIÓN ABSOLUTA

Resulta de tomar como presión de referencia (el cero de la escala) al vacío absoluto. Es decir que la presión relativa o manométrica será aquella medida sobre la presión atmosférica y presión absoluta es aquella medida sobre el cero absoluto (vacío absoluto). Las presiones absolutas son poco usadas en la práctica, por lo tanto hablamos comúnmente de presiones manométricas o relativas.

Fórmula

P absoluta

= P manométrica + P atmosférica

LA PRESIÓN RELATIVA (MANOMÉTRICA)

Resulta de tomar como presión de referencia (cero de escala) la presión absoluta atmosférica. Es la presión que indican los manómetros comunes y la empleada para el cálculo de fuerza de los cilindros o actuadores.

24 / 135

2. Presión

LA PRESIÓN ATMOSFÉRICA

La presión atmosférica es la que ejerce el aire de nuestra atmósfera debido a su propio peso. El barómetro de mercurio, inventado por Torricelli, se considera generalmente como el punto de partida e inspiración de los estudios de Pascal sobre la presión. La presión disminuye arriba del nivel del mar y aumenta abajo del nivel del mar. En una atmósfera normal, la columna será siempre de 29.92 pulgadas (75.99 cm.) de altura. Así pues, 29.92 pulgadas de mercurio es igual 1 bar. ó 1000 mbar es otro de los equivalentes de la presión de una atmósfera.

UNIDADES DE MEDIDA DE PRESIÓN ATMOSFÉRICA AL NIVEL DEL MAR 14.7 lbf/in² (psi) 29.92 in de mercurio (in Hg)

1.033 Kgf/cm² 10.330 metros de columna de agua 1 atm

760 mm de mercurio (mm Hg)

GLOSARIO

PARA PENSAR

ATMOSFERA

¿ Sabía que la presión atmosférica se mide mediante un dispositivo denominado barómetro?

Es una medida de presión igual a 14.7 psi (1.01 bar).

25 / 135

2. Presión

2.3

Medición de un Vacío

¿Cómo se mide la presión de un vacío?

RECUERDE

Puesto que un vacío es una presión inferior a la atmosférica, se puede medir en las mismas unidades.

El vacío empieza cuando la escala marca cero.

Es decir que se puede expresar en psi (psi absolutas), en bar, en milibar, en psi (con unidades negativas), así como en pulgadas de mercurio. Sin embargo, la mayor parte de los medidores de vacío están calibrados en pulgadas de mercurio.

Indique a qué clase de presión corresponden las siguientes características (absoluta, relativa o atmosférica).

ACTIVIDAD

1

La presión

es empleada para el cálculo de fuerza de los cilindros o actuadores.

2

La presión

es la que ejerce el área de la atmósfera debido a su propio peso.

3

La presión

resulta de tomar como presión de referencia al vacío absoluto.

¡Felicitaciones! Usted ha finalizado el capítulo 2. A continuación se desarrollará el capítulo Viscosidad.

3


Viscosidad TEMAS DEL CAPÍTULO 3 3 Viscosidad 3.1 Índice de viscosidad 3.2 Importancia de la viscosidad 3.3 Métodos para definir la viscosidad 3.3.1 Viscosidad absoluta 3.3.2 Viscosidad cinemática 3.3.3 Viscosidad SSU

En este capítulo se define la viscosidad como característica central de los fluidos y su importancia para el adecuado funcionamiento de un sistema hidráulico. Además se describen las diferentes formas de medirla.

27 28 29 30 31 32 34

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3. Viscosidad

3

Viscosidad

¿Qué es la viscosidad? La viscosidad es la medida de resistencia de un fluido que fluye, es decir, la medida inversa de su fluidez.

En la siguientes imágenes se muestran dos ejemplos de viscosidades diferentes: la miel con una viscosidad más fuerte comparada con el agua, que tiene menor viscosidad.

Si un líquido fluye con facilidad, su viscosidad es baja, o se puede decir también que el fluido es delgado o que tiene poco cuerpo.

En cambio, un líquido que fluye con dificultad posee una alta viscosidad, es decir que es grueso o de mucho cuerpo.

ATENCIÓN

RECUERDE

La viscosidad es afectada por la temperatura. Mientras la temperatura de un fluido hidráulico aumenta, su viscosidad o resistencia a fluir disminuye.

La viscosidad es una medida de la resistencia del fluido a fluir. Un fluido espeso tiene más resistencia a fluir y una más alta viscosidad.

Enumere los siguientes fluidos de menor a mayor viscosidad.

ACTIVIDAD

Agua

Agua hirviendo

Aceite

Aceite refrigerado

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3. Viscosidad

3.1

Índice de Viscosidad

¿Qué es el índice de viscosidad? El índice de viscosidad es una medida arbitraria de resistencia del fluido al cambio de viscosidad con los cambios de la temperatura: Se dice que un fluido posee un alto índice de viscosidad (VI), cuando presenta viscosidad relativamente estable a temperaturas extremas.

EJEMPLO

A continuación, se observa un ejemplo de la viscosidad de un fluido siendo afectada por la temperatura.

Marque con una X en el casillero que corresponda el índice de viscosidad de los siguientes fluidos.

ACTIVIDAD

Un fluido que se espesa mucho al enfriarse y se adelgaza en extremo al calentarse, tiene un bajo VI.

29 / 135

3. Viscosidad

Importancia de la Viscosidad

3.2

¿Por qué es importante la viscosidad? Para cualquier máquina hidráulica, la viscosidad que realmente debe tener un fluido es un aspecto muy importante. La alta viscosidad es deseable para mantener un sellamiento entre las superficies que encajan entre sí. Sin embargo, si la viscosidad es demasiado alta aumenta la fricción, lo cual da como resultado:

RECUERDE

Alta resistencia al fluido.

Aumento en el consumo de potencia, debido a las pérdidas por fricción.

Alta temperatura, originada por la fricción.

Aumento en la caída de presión, debido a la resistencia.

Una viscosidad sólo lo necesariamente alta es de suma importancia para el correcto funcionamiento de una máquina hidráulica, evitando desgastes en la máquina o deficiencias en su operación.

El riesgo de una operación lenta.

Dificultad para separar el aire del aceite en el depósito.

Señale si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas.

ACTIVIDAD

1

Una viscosidad demasiado alta en un fluido permite una operación más veloz.

2

La viscosidad demasiado baja dificulta el sellamiento de las superficies que encajan entre sí.

3

A medida que aumenta la viscosidad crece la resistencia a fluir del fluido.

30 / 135

3. Viscosidad

3.3

Métodos para definir la Viscosidad

¿Cómo se define la viscosidad? Algunos de los métodos para definir la viscosidad, en orden decreciente de exactitud, son los siguientes:

Viscosidad absoluta (en poises).

Viscosidad cinemática (en centistokes).

Viscosidad relativa en Segundos Saybolt Universales (SSU).

Números S.A.E: Es un sistema de clasificación de los lubricantes según su grado de viscosidad.

PARA PENSAR

¿Sabía que en Estados Unidos, los requisitos de viscosidad del fluido hidráulico se especifican en SSU?.

31 / 135

3. Viscosidad

3.3.1 Viscosidad Absoluta ¿Qué mide la viscosidad absoluta? El método de laboratorio para medir la viscosidad absoluta se basa en considerarla como la resistencia que ofrece un fluido, cuando se mueve una capa de líquido desplazándola sobre otra capa del mismo fluido.

¿Cómo se expresa la viscosidad absoluta? La viscosidad absoluta se define como la fuerza que se requiere por unidad de área para mover una superficie paralela a una velocidad de 1 cm./s (0.032 ft/s), sobre otra superficie paralela, separada por una película de fluido de 1 cm. (0.393 in) de espesor. En el sistema métrico, la fuerza se expresa en dinas y el área en centímetros cuadrados.

Fórmula

Viscosidad absoluta

= Viscosidad cinemática x Densidad (ρ)

¿Cuál es su unidad de medida? La unidad de viscosidad absoluta es el poise, el cual es comúnmente utilizado como centipoise, donde se tiene que:

UNIDADES DE MEDIDA DE VISCOSIDAD ABSOLUTA 100 Centipoises = 1 Poise

ATENCIÓN

La viscosidad absoluta es la mejor forma de expresar la viscosidad de un fluido.

32 / 135

3. Viscosidad

3.3.2 Viscosidad Cinemática ¿Qué es la viscosidad cinemática? El concepto de viscosidad cinemática ha surgido del uso del potencial de un líquido para producir un flujo a través de un tubo capilar (tubo de pequeño diámetro).

¿Cómo se determina? Al dividir el coeficiente de viscosidad absoluta por la densidad de un líquido, se obtiene lo que se denomina viscosidad cinemática. A continuación, se muestra la conversión entre viscosidad absoluta y cinemática:

Fórmula

Viscosidad cinemática

= Viscosidad absoluta /

Densidad (ρ)

¿Cuál es su unidad de medida? En el sistema métrico, la unidad de viscosidad cinemática se llama Stoke y equivale a las unidades de centímetros cuadrados por segundo (cm2/s). A la centésima parte de un Stoke se le llama centistoke.

UNIDAD DE MEDIDA DE VISCOSIDAD CINEMÁTICA 1 stoke = 1 cm²/s

33 / 135

3. Viscosidad

ACTIVIDAD

A lo largo de este capítulo, se fundamentó la importancia de la viscosidad de un fluido para el adecuado funcionamiento de un sistema hidráulico. El objetivo de las siguientes actividades es repasar los métodos utilizados para medirla. Señale a qué tipo de Viscosidad corresponden las siguientes unidades de medida y/o fórmulas.

Viscosidad Absoluta

Viscosidad Cinemática

Poise Centistokes Viscosidad Cinemática X Densidad Centipoises Viscosidad Absoluta / Densidad Stoke

Unir con flechas las equivalencias de unidades de medida de la viscosidad cinemática que correspondan.

3 cm2/s

400 centipoises

700 centipoises

7 poises

1 m3

200 centistokes

2 stoke

0.0003 m2/s

4 poises

1 poise

0.300 in

3 m2

3. Viscosidad

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3.3.3 Viscosidad SSU ¿Qué es la velocidad relativa SSU? Para la mayor parte de los fines prácticos, bastará conocer la viscosidad relativa de un fluido. La viscosidad relativa SSU se determina midiendo el tiempo que tarda en fluir una cantidad específica del fluido a través de un orificio de dimensiones también específicas, a una temperatura establecida.

ATENCIÓN

Para las aplicaciones industriales, las viscosidades del aceite hidráulico generalmente se encuentran alrededor de 150 SSU a 100 °F (65.55 a 37.77 °C). Como norma general, la viscosidad nunca deberá ser menor a 45 SSU ni mayor a 4000 SSU, sin importar cual sea la temperatura. Cuando existan temperaturas extremas, el fluido debe tener un alto índice de viscosidad, el cual puede ser encontrado en tablas.

RECUERDE

Un líquido espeso fluirá lentamente y la viscosidad en SSU será más alta que para uno delgado, que fluirá con mayor rapidez.

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3. Viscosidad

¿CÓMO SE MIDE LA VISCOSIDAD ? Se utilizan diversos métodos e instrumentos para medir la viscosidad, por ejemplo el viscosímetro Saybolt, el cual se muestra en la figura. El tiempo que tarda la cantidad medida de líquido en fluir por el orificio, se determina mediante un cronómetro. La viscosidad en Segundos Saybolt Universales (SSU) es igual al tiempo en segundos que transcurre en la operación.

PARA PENSAR

¿Sabía que, dado que el aceite se espesa a bajas temperaturas y se adelgaza al calentarse, la viscosidad se debe expresar como un determinado número de SSU a una temperatura especifica? Las pruebas se realizan generalmente a 100 °F ó a 210 °F (37.77 ó 98.88 °C).

¡Felicitaciones! Usted ha finalizado el capítulo 3. A continuación se desarrollará el capítulo Principios de la Hidráulica.

4


Principios de la Hidráulica TEMAS DEL CAPÍTULO 4 4.1 4.2 4.3 4.4

Principio de Arquímedes Principio de Pascal Conservación de la energía Principios de flujo 4.4.1 Principio de continuidad 4.4.2 Cálculo del área de un pistón 4.4.3 Flujo laminar y turbulento 4.4.4 El flujo y la caída de presión 4.4.5 Mantenimiento del nivel de un fluido 4.5 Principio de Bernoulli 4.6 Elementos de un sistema hidráulico

Los principios generales de operación de la Hidráulica, los principios que caracterizan el flujo, y la definición de los elementos centrales de un sistema hidráulico, son los temas principales abordados en este capítulo.

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4. Principios de la Hidráulica

4.1

37 / 135

Principio de Arquímedes

¿Qué establece el Principio de Arquímedes? Los cuerpos sólidos sumergidos en un líquido experimentan un empuje hacia arriba. Este fenómeno, que es el fundamento de la flotación de los barcos, era conocido desde la más remota antigüedad, pero fue el griego Arquímedes (287 - 212 a. de C.) quien indicó cuál es la magnitud de dicho empuje. De acuerdo con el principio que lleva su nombre, todo cuerpo sumergido total o parcialmente en un líquido, experimenta un empuje vertical y hacia arriba igual al peso del volumen de líquido desalojado.

En la figura se muestra como opera en la práctica el principio de Arquímedes en el caso de un bloque de aluminio y uno de madera.

PARA PENSAR

¿Sabía que cuando Arquímedes resolvió el problema que dio origen a la formulación de su famoso principio, acababa de ingresar a darse un baño, y fue tal su excitación que saltó de la bañera y se lanzó por las calles de Siracusa al grito de ¡Eureka! ¡Eureka! (¡Lo encontré! ¡Lo encontré!).

38 / 135


4.2

Principio de Pascal ¿QUÉ ESTABLECE LA LEY DE PASCAL?

La Ley de Pascal, enunciada sencillamente dice: la presión aplicada a un fluido confinado (cerrado) se transmite íntegramente en todas las direcciones y ejerce fuerzas iguales sobre áreas iguales, actuando estas fuerzas normalmente sobre las paredes del recipiente. Esta ley forma las bases para entender la relación entre fuerza, presión y área.

¿Cómo se expresa la Ley de Pascal? Matemáticamente, esta relación se expresa como: Fuerza es igual a la presión por el área; la presión es igual a la fuerza dividida por el área; y el área puede ser calculada dividiendo fuerza en presión.

Fuerza

Presión

Área

=

= =

Presión

x Área

Fuerza

/ Área

Fuerza

/

Presión

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¿Cómo nació la prensa hidráulica? En los primeros años de la Revolución Industrial, un mecánico británico llamado Joseph Bramah utilizó el descubrimiento de Pascal para desarrollar una prensa hidráulica. Bramah pensó que si una pequeña fuerza, actuando sobre un área pequeña, crea una fuerza proporcionalmente más grande sobre un área mayor, el único límite a la fuerza que puede ejercer una máquina es el área a la cual se aplica la presión.

¿CÓMO SE APLICA LA LEY DE PASCAL? En la figura se muestra como Bramah aplicó el principio de Pascal en una prensa hidráulica. Se puede ver fácilmente que las fuerzas de los pesos que lo balancearán con este aparato son proporcionales a las áreas del pistón.

Fórmula 1

Fórmula 2

P1 = F1 = 10Lb (4.53 Kg)

= 10 Psi (0.70Kg/cm2)

A1 1in2(6.45 cm2) P2 = F2 = 100Lb (4.53 Kg)

= 10 Psi (0.70Kg/cm2)

A2 10in2(64.51 cm2)

ATENCIÓN

Una aplicación de la prensa que construyó Bramah es el gato hidráulico, que se muestra en la figura.


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¿Cómo funcionan las prensas hidráulicas y mecánicas? A continuación, podemos observar la similitud que existe entre una prensa hidráulica y una palanca mecánica.

Para poder determinar la fuerza total ejercida en una superficie, es necesario conocer la presión o fuerza en la unidad del área. En la figura se muestra que se necesita que el brazo 1 sea 10 veces más largo que el brazo 2, para conservar en equilibrio el sistema a pesar de las cargas aplicadas.

4.3

Conservación de la Energía

¿Qué es posible hacer con la energía? La Ley fundamental de la física establece que la energía no se puede crear ni destruir, sólo se puede transformar.

¿Cómo opera este principio en la práctica? Un pistón más grande se mueve solamente por el desplazamiento del líquido provocado por un pequeño pistón. La distancia que cada pistón se mueve, es inversamente proporcional a su área Lo que se gana en fuerza, se debe perder en distancia o velocidad (ver figura de la página siguiente).

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¿CÓMO SE TRANSFIERE LA ENERGÍA? A continuación se presenta el procedimiento de la transformación de la energía.

1

Aplicando una fuerza de 10 lb (44.48 N) sobre el pistón A con un área de 1 in2 A1 (0. 645 m2) el pistón se desplaza 10 in (0.254 m)

2

De acuerdo con la fuerza y el desplazamiento del pistón pequeño A y como la presión dentro del recipiente debe ser constante, la fuerza de 100 lb (444.8 N) provocarán un desplazamiento en el pistón grande B de 1 in (0.0254 m)

3

La energía transferida aquí es igual a 10 lb x 10 in =100 lb - in (44.48 N x 0.254 m = 11.29 N - m)

4

La energía transferida aquí también es igual a 100 lb x 1 in =100 lb - in (444.8 N x 0.0254 m = 11.29 N - m)

EJEMPLO

La energía sólo se puede cambiar de una forma a otra, como por ejemplo, cuando la energía eléctrica se transforma en energía calorífica a través de un calefactor.

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ACTIVIDAD

La siguiente actividad permitirá repasar los principios generales que determinan la operación de cualquier sistema hidráulico y que fueron descriptos en los primeros ítems de este capítulo. Relacione las siguientes afirmaciones con los principios de los cuales se desprenden.

Principio de Arquímedes

1

Una fuerza pequeña, actuando sobre un área pequeña, crea una fuerza proporcionalmente más grande sobre un área mayor.

2

La energía sólo se puede conservar y/o transformar.

3

Todo cuerpo sólido sumergido en un líquido experimenta un empuje hacia arriba.

4

La presión aplicada a un fluido confinado se transmite íntegramente en todas las direcciones y ejerce fuerzas iguales sobre áreas iguales.

5

El empuje vertical y hacia arriba que experimenta cualquier cuerpo sumergido total o parcialmente en un líquido, es igual al peso del volumen de líquido desalojado.

6

La cantidad de energía en un sistema aislado permanece invariable con el tiempo.

Ley de Pascal

Conservación de la Energía

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4.4

Principios de Flujo

¿Qué es el flujo? El flujo es la acción del sistema hidráulico que proporciona movimiento al actuador. La fuerza se puede transmitir mediante presión, pero para originar un movimiento es esencial que haya flujo. El flujo del sistema hidráulico se crea mediante la bomba.

¿Cómo se mide el flujo? Existen dos formas de medir el flujo de un fluido:

Gasto o caudal

Velocidad de flujo

¿Qué expresa el gasto o caudal? El gasto o caudal es la medida del volumen del fluido que pasa por un punto en un tiempo determinado. Algunas de las formas en que se puede expresar el gasto o caudal son:

UNIDADES DE MEDIDA cm3/s

GPM Lt/min

GLOSARIO

ACTUADORES

Son aquellos elementos que pueden provocar un efecto sobre un proceso automatizado.

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Un flujo constante aumenta o disminuye su velocidad, dependiendo de si la sección de tubería disminuye o aumenta su área.

Fórmula

Gasto o caudal (Q)

= Velocidad (V) x Área (A)

Aclaración

Q

A

xV

de donde obtenemos A

=Q/

V

¿Qué expresa la velocidad? La velocidad es la rapidez promedio de las partículas de un fluido al pasar por un punto determinado, o la distancia promedio que viajan las partículas por unidad de tiempo. Se puede medir, entre otras opciones, en:

Fórmula

V

=

Q

/

A

UNIDADES DE MEDIDA PIES SOBRE SEGUNDO PIES SOBRE MINUTO

(ft/s) (ft/min)

PULGADAS SOBRE SEGUNDO

(in/s)

PULGADAS SOBRE MINUTO

in/min

METROS SOBRE SEGUNDO

(m/s)

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4.4.1 Principio de Continuidad ¿Que establece el Principio de Continuidad? El método para calcular la velocidad de flujo de un fluido en un sistema de conductos cerrado, depende del principio de continuidad. La cantidad de fluido que pasa por cualquier sección en un cierto tiempo dado es constante.

En la figura, se muestra cómo un fluido fluye de la sección 1 a la sección 2 con un caudal constante.

La ecuación de continuidad es la siguiente:

Aclaración A1 y A2 = Área en la sección 1 y 2 respectivamente.

A1

x

V1

=

A2

x

V2

V1 y V2 = Velocidad en la sección 1 y 2 respectivamente.

Por lo tanto, el gasto en la sección 1 y en la sección 2 de un conducto cerrado con diferentes dimensiones (considerando condiciones perfectas, o sea que no existen pérdidas) es el mismo. Aclaración

Q1

= Q2

Q1 y Q2 = Gasto en la sección 1 y 2 respectivamente. Como A1 es mayor que A2 (A1 > A2) se demuestra que V2 es mayor que V1 (V2 > V1)

ATENCIÓN Lo descrito anteriormente significa que la velocidad del fluido aumenta a medida que disminuye el área, es decir la Velocidad es inversamente proporcional al área.

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4.4.2 Cálculo del Área de un Pistón ¿Cómo se calcula el área de un pistón? El área del pistón o de la sección transversal de un tubo puede calcularse con la siguiente fórmula:

Fórmula

A

=

Π

x

D2 / 4

Aclaración

A

Área de la sección transversal del tubo en plg2, m2, cm2, mm2

D

Diámetro interior de la tubería, en in, m, cm, mm

Π

3.14

Di

e

e

Di

De = Diámetro exterior e = Epesor de la pared Di = Diámetro interior

De

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EJEMPLO

En el cuadro de la figura se muestra un ejemplo de cómo calcular el gasto o caudal. Se debe calcular el área de cada una de las 2 secciones, para obtener posteriormente el gasto o caudal.

Sección 1: A1= Π x D2 / 4 Sección 1: A1 = (3.14) x [(50 cm)2 / 4] Sección 1: A1 = 1962.5 cm2

Sección 2: A2= Π x D2 / 4 Sección 2: A2 = (3.14) x [(25 cm)2 / 4] Sección 2: A2 = 490.625 cm2

Q = V1 x A1 Q = (2 cm/s) x (1962.5 cm)2 Q = 3.925 cm3/s

Q = V 2 x A2 Q = (8 cm/s) x (490.625 cm)2 Q = 3.925 cm3/s

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4.4.3 Flujo Laminar y Turbulento Según las condiciones que atraviesa, el flujo puede caracterizarse como laminar o turbulento:

FLUJO LAMINAR En forma ideal, las partículas de un fluido se desplazan en forma suave y paralela a la dirección del flujo. Cuando esto ocurre se dice que el flujo es laminar y se obtiene a bajas velocidades y en tubería recta. Con el flujo laminar, la fricción se reduce al mínimo.

FLUJO TURBULENTO Existe turbulencia cuando las partículas no se desplazan en forma suave y paralela a la dirección del flujo. El flujo turbulento es originado por cambios abruptos en la dirección o en el área de la sección transversal o por una velocidad excesiva. Esto nos da como resultado un gran aumento en la fricción, que produce calor, aumenta la presión de operación, y desperdicia potencia.

EJEMPLO

El filamento rectilíneo de humo que sale de un cigarrillo expuesto a un ambiente tranquilo, ofrece una imagen clara del flujo laminar. Pero conforme el humo continúa subiendo, se transforma en un movimiento aleatorio, irregular, lo que es un ejemplo de lo opuesto: un flujo turbulento.

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4.4.4 El Flujo y la Caída de Presión ¿Qué relación existe entre la fricción y la caída de presión? Siempre que un líquido se encuentra fluyendo, deberá existir alguna condición de desequilibrio de fuerza para causar movimiento. Por lo tanto, cuando un fluido fluye a través de un tubo, la presión será más baja corriente abajo, en relación a la corriente arriba. Esta diferencia de presión o caída de presión es necesaria para vencer la fricción en la línea.

En la siguiente figura se ilustra la caída de la presión debido a la fricción. Las sucesivas caídas de presión (desde la presión máxima, hasta presión cero) se muestran como diferencias de potencial en las sucesivas tuberías verticales.

1

2

La presión es máxima aquí, por el peso de la potencia del líquido.

La presión es cero aquí, porque el flujo fluye sin restricción.

3

4

La fricción en la tubería, baja la presión de máximo a cero.

Bajo nivel de líquido sucesivamente en estas tuberías es una medida de reducir presión en los puntos de corriente debajo del suministro.

GLOSARIO

RECUERDE

CAIDA DE PRESIÓN

Sólo un desequilibrio de fuerza puede ocasionar un movimiento en un líquido fluyendo.

Es una diferencia en presión entre cualquiera de dos puntos de un sistema o de un componente.

50 / 135


4.4.5

Mantenimiento del Nivel de un Fluido

¿Qué sucede cuando no hay caída de presión? Contrario a lo enunciado en el ítem anterior:

Cuando no hay diferencia de presión en un líquido, el fluido simplemente trata de mantener un nivel.

1

El líquido está sujeto a presión atmosférica en todos los puntos, de tal modo que está al mismo nivel en todos los puntos.

Si en algún punto cambia la presión, los niveles del líquido en los demás puntos se elevan, pero sólo hasta la altura en que su peso es el suficiente como para hacer la diferencia de presión.

2 3

Aumento de presión.

El resultado del aumento de presión es un mayor nivel en estos puntos.

Se puede observar entonces que para que un líquido ascienda por una tubería, es necesaria una diferencia de presión, ya que habrá que vencer la fuerza que ejerce el peso del fluido. Naturalmente en el diseño del circuito, la presión que se requiere para desplazar la masa de aceite y para vencer la fricción, debe ser agregada a la presión necesaria para mover la carga.

ATENCIÓN

GLOSARIO

En la mayoría de las aplicaciones, un buen diseño reduce al mínimo estas “caídas” de presión, hasta el punto de hacerlas casi despreciables.

CIRCUITO

Es un arreglo de componentes interconectados para desempeñar una función específica dentro de un sistema.

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Principio de Bernoulli

4.5

¿Qué formas de energía contiene el fluido hidráulico? El fluido hidráulico de un sistema en operación contiene energía en dos formas:

Energía cinética: Energía que posee un cuerpo en movimiento.

Energía potencial: Energía con respecto a la elevación, es decir, la energía potencial del elemento con respecto a algún nivel de referencia.

¿Cómo se calcula la energía cinética? La energía cinética se calcula mediante la siguiente fórmula:

Fórmula

E cinética

=

½ m V2

Aclaración

m

V

Masa

Velocidad

¿Cómo se calcula la energía potencial? La energía potencial se calcula mediante la siguiente fórmula:

Fórmula

E potencial

=

ρ g h

Aclaración

ρ

Densidad.

g

Gravedad

h

Altura

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¿CUÁL ES LA ECUACIÓN DEL PRINCIPIO DE BERNOULLI? Daniel Bernoulli, científico Suizo (1700-1782), demostró que en un sistema con un porcentaje de fluido constante, la energía se transforma de una forma a la otra, cada vez que varía el área de la sección transversal de la tubería. Sin embargo, teniendo en cuenta que la energía no se puede crear ni destruir, sino que sólo se transforma, el cambio en energía cinética se debe compensar mediante una disminución o incremento de la presión.

La ecuación que demuestra el principio de Bernoulli desde el punto de vista cuantitativo, es la siguiente:

P1 + ½ m V12 + ρ g h1 = P2 + ½ m V22 + ρg h2

RECUERDE

En un sistema con un porcentaje de fluido constante, la energía se transforma de una forma a la otra, cada vez que varía el área de la sección transversal de la tubería.

Aclaración P1 y P2 m

Presión en el punto 1 y 2 respectivamente. Masa del fluido.

V1 y V2

Velocidad en el punto 1 y 2 respectivamente.

h1 y h2

Altura relativa entre puntos 1 y 2.

ATENCIÓN

Esta forma de plantear la Ecuación de Bernoulli es considerando que no existen pérdidas de energía en el sistema, como por ejemplo, debido a la fricción y a la viscosidad.

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EJEMPLO

A continuación, se muestra el cálculo de la energía cinética de un fluido en la siguiente tubería con un área constante.

Masa (m) = 5 Kg Velocidad (V) = 10 m/s E cinética = ½ m V2 E cinética = ½ (5 Kg) (10 m/s2) E cinética = 250 N-m.

EJEMPLO

A continuación, se muestra el cálculo de la energía potencial de un fluido en el punto A.

Datos: ρ = 15 Kg/m3 g = 9.8 m/s2 h=5m E potencial = ρ g h E potencial = (15 Kg/m3) (9.8 m/s2) (5 m) E potencial = 735 Pa


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¿QUÉ ESTABLECE EL PRINCIPIO DE BERNOULLI? El principio de Bernoulli dice que la suma de presión y la energía cinética en varios puntos de un sistema debe ser constante si el flujo es constante. Cuando un fluido fluye a través de áreas de diferentes diámetros deben producirse cambios correspondientes de velocidad.

1 En la sección pequeña de tubería, la velocidad es máxima. Existe más energía en la forma de movimiento, y en consecuencia la presión es más baja.

2 La velocidad disminuye en la tubería grande. La pérdida de energía cinética se recupera al aumentar la presión.

3 Ignorando las pérdidas de fricción, la presión vuelve a ser la misma que en 1, cuando la velocidad del flujo llega a la misma que en 1.

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ACTIVIDAD

En los ítems anteriores se describieron tanto los principios de operación del flujo como las diferentes mediciones posibles. A través de la siguiente actividad es posible reforzar dichos conocimientos. Relacione las unidades de medida, con el tipo de medición de flujo al que se refieren. Marcando V para las que corresponden a velocidad y Q para las que corresponden a gasto o caudal.

VELOCIDAD (V)

GASTO O CAUDAL (Q)

Lt/min

Cm3/s

ft/s

in/s

m/s

GPM

ft/min

in/min

Señale si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas.

VERDADERO

1

Para que un líquido ascienda por una tubería, no deben existir diferencias de presión.

2

El cambio en energía cinética se debe compensar mediante una disminución o incremento de la presión.

3

Todo cuerpo sólido sumergido en un líquido experimenta un empuje hacia arriba.

FALSO

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4.6

Elementos de un Sistema Hidráulico

¿Qué elementos componen un sistema hidráulico? Hay diferentes tipos de componentes de un sistema hidráulico y todos tienen diferentes formas de funcionamiento. Los mismos se ejemplifican en las páginas siguientes, pero serán descriptos en detalle en capítulos posteriores de este manual.

Bomba Tanque de almacenamiento

Actuadores Línea de transmisión de fluido

Motor

Filtros

Válvula

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¿QUÉ ES UNA BOMBA? La bomba es un dispositivo para convertir la fuerza y movimiento mecánico en potencia de fluido hidráulico. Es el elemento encargado de proveer fluido, incrementando su presión al nivel de trabajo del sistema hidráulico.

Existen diferentes tipos de bombas, las cuales se pueden clasificar en:

Bombas de desplazamiento positivo

Bombas de desplazamiento no positivo

¿Qué son los actuadores? Los actuadores son los elementos encargados de transformar la energía hidráulica en energía mecánica lineal y rotatoria. ACTUADORES LINEALES: CILINDROS HIDRÁULICOS

ACTUADORES ROTATORIOS: MOTORES

Los actuadores lineales son generalmente los cilindros hidráulicos. Un cilindro hidráulico es un aparato para convertir energía hidráulica en movimiento lineal. Normalmente consiste en un elemento removible, tal como un pistón, y el vástago operando dentro del cuerpo del cilindro.

Un actuador rotatorio convierte energía hidráulica en movimiento rotatorio. Los motores son generalmente actuadores rotativos. Es decir, un motor es un aparato que convierte la potencia de un fluido hidráulico en fuerza mecánica, y generalmente genera un movimiento mecánico rotatorio.

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¿Qué otros elementos complementan un sistema hidráulico? Además de las bombas y los motores, como componentes centrales en todo sistema hidráulico, otros elementos complementarios desarrollan el resto de las funciones requeridas por el sistema.

VÁLVULAS Las válvulas son elementos encargados del control del flujo.

TANQUES DE ALMACENAMIENTO Los tanques son depósitos o resumideros. Son elementos muy importantes en un sistema hidráulico, ya que almacenan el fluido hidráulico que después será enviado al sistema nuevamente por la bomba.

LÍNEAS DE TRANSMISIÓN DE FLUIDO Las mangueras utilizadas en la Hidráulica deben resistir grandes presiones, por lo que deben ser cuidadosamente seleccionadas. Las mangueras flexibles son muy utilizadas en los sistemas hidráulicos, debido a que poseen la capacidad de flexionarse para acomodarse de acuerdo a cómo se presenten las condiciones.

FILTROS Un filtro es un aparato cuya función principal es la retención, por medios porosos, de contaminantes indisolubles del fluido. Los filtros se utilizan entonces para reducir las impurezas en el fluido, de tal forma que éstas no afecten el funcionamiento del sistema.

¡Felicitaciones! Usted ha finalizado el capítulo 4. A continuación se desarrollará el capítulo Transmisión de la Potencia Hidráulica.

5


Transmisión de la Potencia Hidráulica CAPÍTULO 5

Este capítulo sintetiza el concepto de Hidráulica como medio de transmisión de potencia y resume el funcionamiento de un sistema hidráulico, tanto a través de un actuador lineal, como de un actuador rotatorio.

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5. Transmisión de la Potencia Hidráulica

¿Qué es la potencia hidráulica? Luego de repasar sus generalidades y principios, es posible definir ahora la Hidráulica como un medio de transmitir potencia al empujar un líquido confinado. El componente de empuje de entrada del sistema es una bomba y el de empuje de salida es un actuador.

¿Cómo funciona un sistema hidráulico? En la siguiente figura se muestra un sistema que ha sido simplificado con el fin de graficar el funcionamiento hidráulico: se muestra un pequeño pistón simple, cuando la mayoría de las bombas de potencia dirigida necesitarán muchos pistones, paletas o engranes, según sus elementos de bombeo.

Los actuadores pueden ser lineales, como el cilindro de la figura, o rotatorios, como los motores hidráulicos.

1 La bomba desplaza el líquido hidráulico dentro de las tuberías.

2 Las líneas llevan el líquido a los actuadores, los cuales son desplazados, para causar la salida mecánica para mover la carga.

3 Algunos actuadores operan en línea (actuadores lineales). Estos son llamados cilindros. Se usan para levantar pesos, ejercer fuerzas y sujetar.

ATENCIÓN

Un sistema hidráulico no es una fuente de energía. La fuente de energía es el primer impulsor, tal como un motor eléctrico o un motor que impulse la bomba.

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5. Transmisión de la Potencia Hidráulica

En la siguiente figura en cambio, se grafica un ejemplo de transmisión de potencia, utilizando un actuador rotatorio.

RECUERDE

PARA PENSAR

Hoy el término Hidráulica se emplea mayoritariamente 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.

¿Sabía que, en la mayoría de los casos, los líquidos utilizados para la transmisión de energía son aceites minerales, pero también pueden emplearse otros fluidos, como líquidos sintéticos, agua o una emulsión agua-aceite?

¡Felicitaciones! Usted ha finalizado el capítulo 5. A continuación se desarrollará el capítulo Motores y Bombas Hidráulicos.

6


Motores y Bombas Hidráulicos TEMAS DEL CAPÍTULO 6 6.1 Función y tipos de motores hidráulicos Motor de engranes Motor de paletas Motor de pistones 6.2 Función y tipos de bombas hidráulicas 6.3 Bombas hidrodinámicas: Bombas centrífugas 6.4 Bombas hidrostáticas: Bombas rotatorias Bomba de engranes Bomba de leva y pistón Bomba de lóbulos Bomba de tornillo Bomba de paletas Bomba de dos pasos Bomba de combinación

En capítulos anteriores se definieron las bombas y motores hidráulicos como elementos centrales de todo sistema hidráulico. En este capítulo se detallan sus funciones y su clasificación, según construcción y modo de operación.

63

64 65 66

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6. Motores y Bombas Hidráulicos

6.1

Función y Tipos de Motores Hidráulicos

¿Qué función cumplen los motores hidráulicos? Los motores hidráulicos convierten la energía operativa de un sistema hidráulico en energía mecánica rotativa, la cual se aplica por medio de un eje.

¿Qué tipos existen? Los motores hidráulicos pueden dividirse en 3 grandes grupos: los de engranes (los engranes son accionados directamente por aceite a presión), los de paletas, y los de pistones (el movimiento rotatorio es generado por la acción oscilatoria de un pistón o percutor).

MOTOR DE ENGRANES Los motores de engranes cuentan con dos engranes que giran juntos, pero sólo uno de ellos va acoplado al eje de salida.

MOTOR DE PALETAS Los motores de paletas son de desplazamiento fijo. Sin embargo, se puede cambiar el desplazamiento de una unidad determinada, mediante la instalación de un anillo con diferentes dimensiones.

MOTOR DE PISTONES Los motores de pistones son unidades de desplazamiento positivo, capaces de provocar que gire un eje y que se alcance una velocidad variable.

GLOSARIO DESPLAZAMIENTO

Es el volumen de fluido descargado por una bomba en un tiempo específico, normalmente expresado en galones por minuto. DESPLAZAMIENTO POSITIVO

Es una característica de una bomba o motor, la cual tiene sellada positivamente la entrada desde la salida, para que el fluido no pueda recircular al componente.

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6.2

Función y Tipos de Bombas Hidráulicas

BOMBAS HIDRÁULICAS La función de las bombas es convertir el movimiento giratorio del eje que toma del motor, en energía hidráulica, al empujar el fluido hidráulico dentro del sistema. En la figura se muestra un ejemplo de bomba hidráulica.

¿Qué tipos de bombas existen? En el siguiente cuadro, se presenta una clasificación resumida de los diversos tipos de bombas hidráulicas.

Hidrodinámicas o de desplazamiento no positivo

Centrífugas

De combinación Bombas hidráulicas

De dos pasos De engranes

Hidrostáticas o de desplazamiento positivo

De leva y pistón Rotatorias De lóbulos

De tornillo De paletas


6.3

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Bombas Hidrodinámicas: Bombas Centrífugas

¿CÓMO FUNCIONAN LAS BOMBAS HIDRODINÁMICAS? Las bombas hidrodinámicas o de desplazamiento no positivo, se utilizan principalmente para transferir fluidos en sistemas donde la única resistencia encontrada es la creada por el peso y la fricción del mismo fluido.

BOMBA CENTRIFUGA La bomba centrífuga forma parte de las bombas de desplazamiento no positivo. Una bomba centrífuga pasa la energía suministrada al interior del líquido que está siendo bombeado. La energía que está dentro del líquido se manifiesta como energía de velocidad, energía de presión, energía estática o alguna combinación de éstas.

GLOSARIO FUERZA CENTRÍFUGA

Es una fuerza que se aleja del centro.

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6.4

Bombas Hidrostáticas: Bombas Rotatorias

¿CÓMO FUNCIONAN LAS BOMBAS HIDROSTÁTICAS? Las bombas hidrostáticas o de desplazamiento positivo suministran una cantidad específica de fluido por cada carrera, revolución o ciclo. Exceptuando las pérdidas por fuga, su salida es independiente a la presión de salida, lo que convierte este tipo de bombas en ideales para la transmisión de potencia.

¿Cómo trabaja una bomba rotatoria? Las bombas rotatorias son generalmente de desplazamiento positivo. Una bomba rotatoria de desplazamiento positivo, atrapa el fluido empujándolo dentro de la carcasa, como lo hacen las bombas centrífugas.

¿Qué tipos de bombas rotatorias existen? Entre los diferentes tipos de bombas rotatorias, se encuentran:

Bombas de engranes

GLOSARIO CARRERA

Bombas de leva y pistón

Bombas de lóbulos

Bombas de tornillos

Bombas de paletas

Es el recorrido que hace la bomba, en una revolución o ciclo. POTENCIA

Es el trabajo por unidad de tiempo medido en caballos de fuerza (HP) o Watts.


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BOMBA DE ENGRANES

La bomba de engranes es la más simple de las bombas de desplazamiento positivo. Esta bomba desarrolla flujo al transportar el fluido entre los dientes de dos engranes dentados. Uno de los engranes es impulsado por el eje impulsor y hace girar el segundo engrane. Las cámaras bombeadoras que se forman entre los dientes del engrane están cubiertas por la caja de la bomba y las placas de los lados (frecuentemente llamadas placas de presión o desgaste).

BOMBA DE LEVA Y PISTÓN

La bomba de leva y pistón consiste en un excéntrico -el eje no está en el centro- que acciona un brazo ranurado, que se encuentra en la parte superior. Al girar, hace que el excéntrico atrape el líquido entre éste y la carcasa. Como la rotación continúa, el líquido es forzado a salir al exterior a través del brazo ranurado (pistón ranurado).

BOMBA DE LÓBULOS

La bomba de lóbulos cuenta con dos rotores, y cada uno estos rotores contienen dos, tres, cuatro o más lóbulos. Los rotores son ambos motrices y sincronizados por engranes externos (reductorrepartidor). El espacio entre el lóbulo es mayor, comparado con el de los dientes de los engranes.

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BOMBA DE TORNILLO

La bomba de tornillo tiene un rotor en forma de espiral, que gira excéntricamente en el estator (carcasa de la bomba) con una hélice interna. El flujo se produce entre las roscas de los tornillos y a lo largo de éstos.

BOMBA DE PALETA

El principio de funcionamiento de una bomba de paleta se basa en un rotor ranurado, el cual realiza la función de un eje impulsor y gira dentro de un anillo de leva. Las paletas están ajustadas a las ranuras del rotor y siguen la superficie interior del anillo cuando gira el rotor.

GLOSARIO LEVA

Es la pieza que gira alrededor de un punto que no es su centro y que transforma el movimiento circular continuo en rectilíneo. LÓBULO

Es una parte con forma redonda que sobresale.

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BOMBA DE DOS PASOS

Una bomba de dos pasos funciona como una bomba sencilla, pero con el doble de capacidad de presión. En la versión de dos pasos, los dos cartuchos funcionan en serie y la presión operante es dividida entre ellos en partes iguales con una válvula divisora. Dos pistones en la válvula divisora están sometidos a una presión en la salida de la bomba y en la cámara entre las dos unidades bombeadoras. El pistón expuesto a la presión de salida tiene la mitad del área del pistón actuado por la presión intermedia.

BOMBAS DE COMBINACIÓN

Son bombas dobles, las cuales contienen válvulas integrales para funciones de alivio y descarga. Cuando la carga está avanzando inicialmente, la presión es menor que el ajuste de ambas válvulas, y éstas permanecen cerradas. El flujo que viene de la unidad de alto volumen pasa a través de la válvula check ATENCIÓN (este tipo de válvula direccional de un paso es definido en el capítulo de válvulas de este manual) y se une a la salida del cartucho de bajo volumen que va al actuador. Cuando la presión registrada en la salida de la bomba excede el ajuste de la válvula descargadora, el flujo del cartucho grande es desviado al tanque, con poca o ninguna presión, y la válvula check se cierra.

Consulte los símbolos para entender este gráfico al final del manual.

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ACTIVIDAD Relacione la imagen con el tipo de bomba o motor, y con la característica que le corresponde.

IMAGEN

1

2

3

4

5

6

7

TIPO DE BOMBA O MOTOR

CARACTERISTICA

Bomba de engranes

Mediante la instalación de un anillo, es posible cambiar el desplazamiento de una unidad determinada del motor.

Motor de pistones

La energía suministrada es pasada al interior del líquido que está siendo bombeado.

Bomba de leva y pistón

El flujo se produce al transportar el fluido entre los dientes de dos engranes dentados.

Motor de engranes

Un excéntrico acciona un brazo ranurado en la parte superior.

Motor de paletas

Dos engranes giran juntos, pero sólo uno de ellos va acoplado al eje de salida.

Bomba centrífuga

Un rotor ranurado realiza la función de un eje impulsor y gira dentro de un anillo de leva.

Bomba de paleta

Unidad capaz de girar un eje para alcanzar una velocidad variable.

¡Felicitaciones! Usted ha finalizado el capítulo 6. A continuación se desarrollará el capítulo Cilindros Hidráulicos.

7


Cilindros Hidráulicos TEMAS DEL CAPÍTULO 7 7.1 Función de los cilindros hidráulicos 7.2 Clasificación de los cilindros Cilindros de acción simple Cilindros de doble acción

Al convertir la energía hidráulica en energía mecánica, los cilindros hidráulicos son un elemento central del sistema. Sus funciones, modo de operación y tipos, son los temas principales de este capítulo.

72 72

7. Cilindros Hidráulicos

7.1

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Función de los Cilindros Hidráulicos

¿Qué función cumplen los cilindros hidráulicos? Los cilindros hidráulicos convierten la energía hidráulica en energía mecánica. También se conocen con el nombre de actuadores lineales, ya que la salida de un cilindro es un movimiento en línea recta.

¿Cómo funcionan los cilindros hidráulicos? El fluido bajo presión enviado por una de las conexiones del actuador, actúa contra el área del pistón. El pistón unido al vástago es movido linealmente en su longitud con una pequeña fuerza y la fuerza empleada es usada para mover o cargar.

7.2

Clasificación de los Cilindros

¿Qué clases de cilindros se utilizan? Los cilindros hidráulicos se clasifican principalmente en:

1 CILINDROS DE SIMPLE ACCIÓN

2 CILINDROS DE DOBLE ACCIÓN

EJEMPLO

Los cilindros hidráulicos no sólo se utilizan en numerosas industrias, sino también en la construcción de edificios, barcos, en la aeronáutica y en la industria automotriz, entre otras aplicaciones. Se usan por ejemplo para levantar buques; nivelar secciones, puentes, tanques; para juntar y sostener piezas para soldadura; y además permiten el posicionamiento controlado de cargas pesadas.


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1 CILINDROS DE SIMPLE ACCIÓN En los cilindros de simple acción o acción sencilla, la energía hidráulica puede producir empuje o movimiento en una dirección solamente. Luego puede ser regresado mecánicamente o por gravedad.

La presión del fluido se aplica al elemento móvil, considerado del tipo ariete, es decir, que se mueve en una sola dirección.

2 CILINDROS DE DOBLE ACCIÓN

En los cilindros de doble acción, la fuerza del fluido puede ser aplicada al elemento movible en cualquier dirección.

El mecanismo de los cilindros de doble acción se mueve en ambas direcciones y puede controlar otro mecanismo o máquina en forma indirecta. El vástago está provisto de diferentes acoplamientos que se pueden unir a la máquina o mecanismo al cual se va a controlar.

GLOSARIO ARIETE

Es un cilindro de simple acción con un solo diámetro, en vez de un diámetro de pistón y otro de flecha.

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ACTIVIDAD

Dentro de este capítulo establecimos las diferencias en el modo de operación, entre cilindros de acción simple y cilindros de acción doble. La siguiente actividad permite reforzar dichas características. Señale si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas:

VERDADERO

1

El empuje que genera un cilindro de acción simple puede regresarse mecánicamente.

2

Los cilindros también se conocen con el nombre de actuadores rotatorios.

3

Los cilindros de doble acción pueden controlar otra máquina o mecanismo mediante acoples específicos.

4

En lo cilindros de acción simple, la presión del fluido se aplica al elemento móvil en cualquier dirección.

5

El mecanismo de los cilindros de doble acción se mueve en ambas direcciones.

¡Felicitaciones! Usted ha finalizado el capítulo 7. A continuación se desarrollará el capítulo Tuberías y Conexiones.

FALSO

8


Tuberías y Conexiones TEMAS DEL CAPÍTULO 8 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6

Este capítulo detalla las diferentes clases de conductores que transportan el fluido hidráulico entre los componentes de un sistema, incluyendo sus funciones, los criterios para su selección, y las conexiones que se utilizan en cada caso.

Tuberías Conexiones para tuberías Mangueras Conexiones para mangueras Caños Conexiones para caños

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8. Tuberías y Conexiones

8.1

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Tuberías

¿A qué se llama tubería? Tubería es el término general que abarca las diferentes clases de líneas de conductores que transportan el fluido hidráulico entre los componentes. Las principales líneas de conductores son:

Tubería de acero

Tubing de acero

Manguera flexible (también existen otros tipos de diferente material, para transportar otras clases de líquidos)

La utilización de tubos o mangueras hidráulicas dependerá de la flexibilidad requerida para la aplicación.

ATENCIÓN

Los conductores hidráulicos deben poseer áreas suficientes según los requerimientos del fluido, con el fin de evitar excesivas caídas de presión.

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Las tuberías se fabrican con diferentes espesores de paredes, por ejemplo: estándar, extra pesado y doble extra pesado.

ESTÁNDAR

EXTRA PESADO

DOBLE EXTRA PESADO

¿Por qué se utiliza un determinado tipo de tubería? La elección de diferentes espesores dependerá de factores tales como:

La presión estática y dinámica

La vibración

El caudal máximo

La permisividad a las fugas

La compatibilidad con los diferentes fluidos

Las condiciones del ambiente

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8.2

Conexiones para Tubería

¿Qué tipos de conexiones existen? Existe una gran variedad de conexiones para las tuberías de instalaciones hidráulicas, sin embargo, todas pueden clasificarse dentro de tres amplios grupos: acampanadas, sin acampanar y soldadas o abrazadas.

ACAMPANADAS SOLDADAS O ABRAZADAS SIN ACAMPANAR

En servicio normal, las conexiones acampanadas o sin acampanar son igualmente efectivas.

Las conexiones soldadas son las requeridas para servicios de alta presión, temperatura, carga mecánica severa, etc.

Ninguna es una conexión universal, cada una esta diseñada para realizar un trabajo específico.

La típica conexión es la acampanada de tres piezas: cuerpo, tuerca y manga, la cual se detalla en la figura.

RECUERDE

La elección de un determinado tipo de conexión dependerá de los requerimientos específicos del sistema hidráulico en el que se están conectando componentes, según factores como presión, caudal, vibración, etc.

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Tipos y funciones de conexiones Como el tubo sólo puede tener rosca macho y no es posible doblarlo, se utilizan varios tipos de conexiones para hacer uniones y cambiar las direcciones de la tubería. A continuación, se muestran algunos tipos de conexiones y de sus funciones.

1 Niple: hace conexiones cortas entre componentes y conexiones.

2 Una “T” se usa para hacer conexiones paralelas de una sola tubería.

3 Codo de 90º: se usa para cambiar la conexión.

4 Tapón macho.

Buje reductor: se usa para pasar de una medida a otra.

Acoplamiento reductor: tiene ambas hembras roscadas.

Acoplamiento recto: dos secciones de tubería del mismo diámetro.

Una tapa cierra un extremo de tubería abierto.

Un codo tiene una hembra y un macho roscados.

Una válvula de globo se usa para limitar el flujo.

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Mangueras

8.3

¿Para qué se utilizan las mangueras? Debido a la flexibilidad que las caracteriza, las mangueras se utilizan cuando se necesita una conexión entre dos partes móviles. También se utilizan en algunos sistemas hidráulicos para reducir los efectos de la vibración o los golpes hidráulicos.

En la siguiente figura se observan las partes de una manguera industrial.

¿Cómo se instalan las mangueras? Estando bajo presión, una manguera puede cambiar su longitud a rangos de -4% hasta 2%. En consecuencia, siempre se debe dejar el espacio requerido por la manguera, para que no quede demasiado ajustada.

INSTALACIÓN CORRECTA DE UNA MANGUERA

El radio de espacio necesario depende, entre otros factores, de: El tipo de manguera

Las presiones del sistema

El espesor

ATENCIÓN

Las mangueras que son utilizadas para conducir líquidos bajo presión son fabricadas por capas de elastómeros, fibras y mallas de acero, y cada capa está diseñada con el fin de satisfacer los requerimientos de su aplicación.

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8.4

Conexiones para Mangueras

¿Cuáles son las conexiones de mangueras? Las conexiones para las mangueras son esencialmente las mismas que para la tubería. La mayoría de los extremos de las mangueras llevan acoplamientos, aunque también existen conectores que se atornillan o conectores de abrazadera. Es mejor conectar los extremos de las mangueras con conexiones tipo unión, las cuales poseen nudos de libre-rotación.

Tipos de conexiones de mangueras Las conexiones de las mangueras pueden ser divididas en dos categorías, según el método de acoplamiento de la manguera:

PERMANENTES (DE FÁBRICA)

REUSABLES

Las conexiones permanentes no pueden ser reutilizadas debido al método de acomplamiento que se utiliza para armarlas, que pueden ser prensadas o estampadas. En la siguiente figura se muestra un ejemplo de conexión de manguera permanente.

Las conexiones reusables, tal como el término lo indica, pueden ser reutilizadas. Cuando se necesita reemplazar la manguera, la conexión se puede quitar y ser aplicada a la nueva manguera. En la siguiente figura se muestra un ejemplo de conexión reusable: la conexión atornillada.


8.5

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Caños

¿En qué se utilizan los caños? Los caños de hierro y acero, fueron los primeros conductores utilizados en los sistemas hidráulicos industriales y todavía se utilizan en gran medida.

En el caso de los sistemas hidráulicos, se recomienda utilizar caños de acero sin costura, puesto que están libres de óxido, sarro y suciedad.

¿Qué tipos de caños existen? Los caños se clasifican por sus medidas nominales y el espesor de las paredes. Originalmente, un caño de determinadas medidas tenía sólo una medida de espesor de las paredes y la medida establecida correspondía al diámetro interno real. Más tarde, los caños se fabricaron con diversos espesores de paredes: estándar, pesado y extrapesado. Sin embargo, el diámetro exterior no sufrió cambios, sino que para aumentar el espesor de las paredes, se cambió el diámetro interno. Por lo tanto, la medida nominal de los caños indica únicamente la medida de la rosca para las conexiones.

RECUERDE

La medida nominal de los caños indica únicamente la medida de la rosca para las conexiones y no su diámetro exterior.

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¿Qué expresa la cédula de un caño? El espesor de las paredes se expresa como un valor de cédula. Los valores cédula están especificados por el Instituto Nacional Americano de Estándares (ANSI) de 10 a 160. Los valores abarcan diez grupos de espesor de paredes. En los sistemas hidráulicos, se utilizan comúnmente tres cédulas:

CEDULA

TIPO DE CAÑO

8.6

Cédula 40

Cédula 80

Cédula 160

Caño estándar

Caño pesado

Caños con mayor espesor de paredes

Conexiones para Caños

¿Cómo se sellan los caños? Las roscas de los caños se encintan, en cambio, los tubos y algunos accesorios de mangueras, tienen los extremos lisos. Cuando se ajusta el caño, las conexiones se sellan con un accesorio de interferencia entre roscas macho y hembra. Esto causa una de las mayores desventajas de los tubos. Cuando se rompe una unión, se debe ajustar más el caño para volver a sellarlo. A menudo es necesario reemplazar parte de los tubos por longitudes más largas. Sin embargo, se ha podido superar ésta dificultad en cierto modo utilizando cinta de PTFE u otros compuestos para sellar.

¿Qué accesorios requiere un circuito de caños? Los diversos accesorios necesarios en un circuito de caños, presentan múltiples posibilidades de pérdidas, particularmente cuando la presión aumenta.

Las conexiones roscadas se utilizan hasta 1 ¼”.

Cuando se necesitan caños de mayor tamaño, se sueldan bridas al caño.

Se utilizan arandelas planas u O-rings para sellar los brindados.

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ACTIVIDAD

En las páginas anteriores se describieron los diferentes tipos, funciones y características físicas, tanto de los conductores hidráulicos, como de sus respectivas conexiones. Las siguientes actividades apuntan a reforzar dichos conceptos. Relacione las tuberías y conexiones con las características y/o funciones que cumplen. Tuberías y conexiones

Características y/o funciones

Conexiones para mangueras

Pueden ser acampanadas, sin acampanar soldadas o abrazadas.

Caños

Gracias a su flexibilidad, se utilizan cuando se necesita una conexión entre dos partes móviles.

Conexiones para tuberías

Se fabrican con diferentes espesores de paredes, por ejemplo: estándar, extra pesado y doble extra pesado.

Mangueras

Según el método de acoplamiento pueden ser permanentes o reusables.

Tubos

Sus roscas precisan ser encintadas.

Indique si las siguientes afirmaciones son verdaderas (V) o falsas (F):

1

En sistemas de alta presión las conexiones acampanadas son las de mayor eficiencia.

2

La elección de un espesor de conexión depende del caudal de fluido transportado.

3

Existen conexiones universales utilizables con diferentes funciones dentro de un sistema hidráulico.

¡Felicitaciones! Usted ha finalizado el capítulo 8. A continuación se desarrollará el capítulo Válvulas.

9


Válvulas TEMAS DEL CAPÍTULO 9 9.1 Función y tipos de válvulas 9.2 Válvulas direccionales Válvulas de acción directa Válvulas proporcionales piloteadas 9.3 Válvula check 9.4 Válvulas de control de presión 9.5 Válvulas de control de flujo

Para un adecuado funcionamiento de un sistema hidráulico, es necesario poder controlar el fluido. Las válvulas posibilitan ese control, y sus funciones, características y tipos son detalladas a lo largo de este capítulo.

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9. Válvulas

9.1

Función y Tipos de Válvulas

¿Para qué sirven las válvulas? Las válvulas son componentes que se utilizan para controlar el fluido de un sistema hidráulico.

RECUERDE

Las válvulas hidráulicas permiten regular el flujo en determinado sentido, evitando que retorne al circuito.

¿Qué tipos de válvulas son las más utilizadas? Los diferentes tipos de válvulas que se utilizan comúnmente se pueden clasificar en:

Válvulas direccionales.

Válvulas de control de presión.

Válvulas de control de flujo.

A su vez, dentro de estos tipos, se encuentran subtipos de válvulas que se resumen en el siguiente cuadro, y se describen en los ítems siguientes del presente capítulo del manual.

Válvula proporcional de acción directa DIRECTAS

En línea Válvula proporcional piloteada Check

De ángulo recto

De alivio VÁLVULAS

Piloteada

DE CONTROL DE PRESIÓN Reguladora de presión

Presión compensada DE CONTROL DE FLUJO Presión no compensada

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9. Válvulas

Válvulas Direccionales

9.2

¿Qué función cumplen las válvulas direccionales? Las válvulas direccionales se utilizan para controlar la dirección del flujo y pueden ser clasificadas a su vez según sus características principales: Tipo del elemento interno de la válvula.

Número de vías de flujo.

Métodos de activación.

Tamaño.

¿Para qué se utilizan las válvulas proporcionales direccionales? Las válvulas proporcionales direccionales se utilizan para controlar la dirección y la magnitud del flujo. Generalmente, se utilizan dos tipos de estas válvulas:

VÁLVULAS DE ACCIÓN DIRECTA

VÁLVULAS PROPORCIONALES PILOTEADAS

Las válvulas operadas por medio de solenoides son diseñadas para proveer el flujo controlado del aceite en proporción a una señal eléctrica.

Las válvulas proporcionales piloteadas están compuestas por una válvula piloto de fuerza regulada y una válvula principal, que se conecta directamente al actuador, a las líneas de presión y al tanque del sistema.

GLOSARIO SOLENOIDE

Es un hilo conductor enrollado en espiral, en cuyo interior se crea un campo magnético uniforme por la acción de la corriente eléctrica.

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9. Válvulas

9.3

Válvula Check

¿Qué es una válvula check? La válvula check es una válvula direccional de un paso que sólo permite flujo libre en una dirección y obstruye el paso en la otra dirección. Esta válvula puede funcionar como direccional o control de presión.

¿Qué tipos existen? Existen varios tipos de válvulas check A continuación, se detallan algunos ejemplos:

VÁLVULA CHECK PILOTEADA

VÁLVULA CHECK DE ÁNGULO RECTO

VÁLVULA CHECK EN LÍNEA

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9. Válvulas

9.4

Válvulas de Control de Presión

¿Qué función cumplen las válvulas de control de presión? Las válvulas de control de presión desempeñan diferentes funciones tales como limitar la presión máxima del sistema o regular la presión en ciertas partes del circuito. También cumplen otras funciones en donde su actuación es el resultado del cambio de la presión del operante.

¿Qué tipos existen? Se pueden distinguir dos tipos de válvulas, de control de presión:

VÁLVULA DE ALIVIO

En la válvula de alivio, la presión a la entrada de la válvula es tomada como referencia para abrir o cerrar la válvula.

VÁLVULA REGULADORA DE PRESIÓN

En cambio, en una válvula reguladora, la presión es medida a la salida de la válvula, para tomarla como referencia.

ATENCIÓN

La regulación de presión, tanto en la válvula de alivio como en la reguladora de presión, se realiza mediante diferentes métodos. Uno de los métodos más utilizados es el ajuste de una perilla o tornillo.

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9. Válvulas

9.5

Válvulas de Control de Flujo

¿Qué función cumplen las válvulas de control de flujo? Las válvulas de control de flujo pueden ser de dos tipos:

Presión compensada

Presión no compensada

La válvula de presión no compensada es la que se utiliza en donde la presión de la carga permanece relativamente constante y los porcentajes de abastecimiento no son muy críticos.

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9. Válvulas

ACTIVIDAD

Se estableció que según los requerimientos de un sistema hidráulico en particular, se necesitan diferentes tipos de válvulas. La siguiente actividad permite reforzar algunas de las funciones y características de cada tipo. Relacione el tipo de válvula con la función y/o característica que desempeña en el sistema.

TIPO DE VÁLVULA

CARACTERÍSTICAS Y/O FUNCIONES

Válvula check

Limita la presión máxima del sistema o regula la presión en ciertas partes del circuito.

Válvula piloteada

Provee el flujo controlado del aceite en proporción a una señal eléctrica.

Válvula de control de presión

Permite flujo libre en una dirección y obstruye el paso en la otra dirección.

Válvula de acción directa

Está compuesta por una válvula piloto de fuerza regulada y una válvula principal.

¡Felicitaciones! Usted ha finalizado el capítulo 9. A continuación se desarrollará el capítulo Accesorios.

10


Accesorios TEMAS DEL CAPÍTULO 10 10.1 Enfriadores: Función y tipos 10.2 Tanques de almacenamiento 10.3 Acumuladores Acumuladores cargados por peso Acumulador cargado a resorte Acumuladores hidroneumáticos Acumulador tipo pistón Acumulador tipo diafragma Acumulador tipo bolsa 10.4 Amplificadores

Existen una serie de accesorios que atienden necesidades específicas para completar los requerimientos de un sistema hidráulico. Los enfriadores, tanques de almacenamiento, acumuladores y amplificadores, son ejemplos de estos accesorios, cuyas funciones y características son descriptas en este capítulo.

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100

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10. Accesorios

10.1 Enfriadores: Función y Tipos Función de los enfriadores Los enfriadores o intercambiadores de calor sirven para disipar el calor generado en el sistema.

Tipos de enfriadores Existen dos tipos de enfriadores de aceite hidráulico.

ENFRIADOR POR AIRE

ENFRIADORES POR AGUA

ATENCIÓN

Los diferentes accesorios de un sistema hidráulico son fundamentales para que el sistema opere correctamente, y están diseñados especialmente para atender los requerimientos del conjunto.

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10. Accesorios

10.2 Tanques de Almacenamiento: Funciones

¿QUÉ ES UN TANQUE DE ALMACENAMIENTO? El tanque o depósito es un dispositivo hidráulico que sirve para almacenar el aceite que se utiliza para accionar determinados elementos hidráulicos.

¿Qué funciones cumple? Además de actuar como tanque del fluido, el depósito se utiliza:

Como enfriador del fluido.

Para sedimentar o separar las basuras que tenga el aceite cuando retorne al tanque.

Para permitir la separación del aire del fluido.

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10. Accesorios

¿Qué características posee? El tanque debe ser compacto, pero lo suficientemente grande para:

Recibir todo el aceite que vuelve al tanque.

Mantener el nivel de aceite sobre la salida.

Disipar el calor excesivo durante el funcionamiento normal.

Permitir la separación de aire y material extraño del aceite.

RECUERDE

GLOSARIO

Además de contener el aceite, el tanque lo mantiene limpio, libre de aire y relativamente frío.

Quedarse en el fondo del lugar en el que está el líquido que lo contiene.

SEDIMENTAR

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10. Accesorios

10.3 Acumuladores: Funciones y Tipos ¿Para qué se utilizan los acumuladores? Los fluidos hidráulicos son almacenados y sometidos a considerables presiones, y golpes/picos de presión. A diferencia de los gases, que son comprensibles y pueden almacenarse durante un período de tiempo, los fluidos hidráulicos son normalmente incompresibles pudiendo generar golpes de presión y daños. Los acumuladores solventan estos problemas, suministrando un medio para almacenar estos fluidos bajo presión.

¿Cómo opera un acumulador? Los circuitos hidráulicos son equipados con uno o más acumuladores, que operan de la siguiente forma:

1

2 En principio, el fluido hidráulico entra en la cámara del acumulador.

3 Una vez dentro, actúa sobre el área del pistón o de la vejiga para elevar un peso o comprimir un muelle o gas.

ATENCIÓN

Los acumuladores son también conocidos con el nombre de intensificadores, ya que tienen la capacidad de desarrollar presiones más altas de las que podría soportar una bomba.

Cualquier tendencia a disminuir la presión a la entrada del acumulador, hace que el elemento (gas, peso o resorte) reaccione y obligue al líquido a salir hacia el sistema.

GLOSARIO COMPRESIBILIDAD

Es el cambio de volumen de una unidad de volumen de fluido cuando está sujeta a una unidad de cambio de presión.

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10. Accesorios

¿Qué funciones cumple dentro de un circuito? Algunas de las funciones del acumulador son las siguientes:

Mantener la presión del sistema.

Desarrollar el flujo del sistema y amortiguar los golpes de presión del mismo.

Si por alguna razón el sistema de bombeo fallara, se cuenta con el acumulador para terminar el proceso que se estaba haciendo y después poder cambiar la bomba.

En algunos casos también se utiliza un acumulador para mantener la presión del sistema para amortiguar ciertos golpes del mismo.

El acumulador en el circuito amortiguará algunos de los golpes de presión, evitando que estos sean totalmente transmitidos a través del sistema.

¿Qué clases existen? Existen diferentes clases de acumuladores según los requerimientos del sistema hidráulico del que forman parte:

1

2 Acumuladores cargados por peso.

3 Acumulador cargado a resorte.

Acumuladores hidroneumáticos.

10. Accesorios

1

ACUMULADORES CARGADOS POR PESO

Este tipo de acumulador aplica una fuerza al líquido, por medio de un pistón, y tiene la facilidad de que se le pueden añadir o quitar peso, dependiendo de la presión que se determine. Dado que el peso no cambia, estos acumuladores se caracterizan por una presión constante durante la carrera del pistón.

2

ACUMULADOR CARGADO A RESORTE

Este acumulador consiste en un cilindro, un pistón móvil y un resorte. El resorte aplica una fuerza al pistón, resultando en la presión del líquido. Dado que la presión de este acumulador va en base a la compresión del resorte, en algunos acumuladores se varía la presión del resorte mediante el ajuste del tornillo. Son pequeños y se pueden montar en cualquier posición.

3

ACUMULADORES HIDRONEUMÁTICOS

Este tipo de acumulador se utiliza en los sistemas hidráulicos industriales. En este acumulador se aplica una fuerza a un líquido, utilizando un gas comprimido que actúa como resorte. Este tipo de acumuladores cuenta con una cámara cargada con un gas inerte, generalmente nitrógeno seco. Nunca debe utilizarse oxígeno, debido a su tendencia a quemarse o a explotar al comprimirlo con aceite. A veces se utiliza aire, pero no es recomendable por el mismo motivo. En la figura se muestra el símbolo que representa a un acumulador hidroneumático.

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10. Accesorios

TIPOS DE ACUMULADORES HIDRONEUMÁTICOS Algunos ejemplos de acumuladores hidroneumáticos son los siguientes:

3.A ACUMULADOR TIPO PISTÓN Este tipo de acumulador consiste en un cuerpo cilíndrico y un pistón móvil. El gas que ocupa el volumen que está arriba del pistón, es comprimido a medida que se carga el cuerpo del cilindro con líquido. Cuando el cilindro se llena, la presión del gas es igual a la del sistema.

3.B ACUMULADOR TIPO DIAFRAGMA Este tipo de acumulador consiste en dos hemisferios de metal, que están separados por un diafragma de caucho sintético, flexible. El gas ocupa una cámara y es comprimido a medida que el líquido ingresa a la otra cámara.

3.C ACUMULADOR TIPO BOLSA Este tipo de acumulador consiste en una bolsa de caucho sintético, que esta dentro de un casco de metal. La bolsa se llena con gas comprimido.

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10. Accesorios

10.4 Amplificadores

¿PARA QUÉ SE UTILIZA EL AMPLIFICADOR? La función de un amplificador es multiplicar o intensificar una presión hidráulica existente, al recibir presión hidráulica en el pistón de mayor área y ampliar la fuerza resultante en el pistón de menor área. De esta manera, se intensifica o multiplica la presión del fluido en el actuador.

1

2 Presión en el área grande.

3 Crea una fuerza.

Que resulta en presión alta en área chica.

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10. Accesorios

ACTIVIDAD

Distintos accesorios, cumplen diferentes funciones dentro de un sistema hidráulico. La siguiente actividad, permite reforzar estos conceptos descriptos en el capítulo. Indique qué accesorio cumple las funciones descriptas dentro de un sistema hidráulico.

FUNCIONES DENTRO DEL SISTEMA

1

Mantiene la presión del sistema.

2

Disipa el calor generado en el sistema.

3

Amortigua algunos de los golpes de presión, evitando que estos sean totalmente transmitidos a través del sistema.

4

Multiplica o intensifica una presión hidráulica existente.

5

Almacena el aceite que se utiliza para accionar determinados elementos hidráulicos, lo mantiene limpio, libre de aire y relativamente frío.

Enfriador

Tanque

Acumulador

¡Felicitaciones! Usted ha finalizado el capítulo 10. A continuación se desarrollará el capítulo Propiedades de los Fluidos Hidráulicos.

Amplificador

11


Propiedades de los Fluidos Hidráulicos TEMAS DEL CAPÍTULO 11 11.1 Definición de fluidos hidráulicos 11.2 Funciones principales del fluido Transmisión de potencia Lubricación Sellamiento Enfriamiento 11.3 Requisitos de calidad Punto de fluidez Resistencia a la oxidación Antiemulsibilidad 11.4 El uso de aditivos 11.5 El aceite derivado del petróleo 11.6 Fluidos resistentes a la combustión

Las propiedades de un fluido hidráulico son de vital importancia tanto para el rendimiento como para la duración de los componentes de un sistema hidráulico. Sus características, funciones principales y requisitos de calidad son los temas abordados en este capítulo.

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11. Propiedades de los Fluidos Hidráulicos

11.1 Definición de Fluidos Hidráulicos ¿A qué refiere el término fluido hidráulico? El fluido se puede definir como cualquier líquido o gas. Sin embargo, en la rama de la Hidráulica, el término fluido se ha particularizado para hacer referencia al líquido que se utiliza como medio de transmisión de potencia. En este capítulo, con el término fluido se hará referencia al fluido hidráulico, que se trata de un petróleo de composición especial o también a alguno de los fluidos especiales, resistentes a la combustión.

¿Qué indica la calidad de un fluido? La calidad de un fluido hidráulico es una indicación del tiempo de uso en que sus propiedades esenciales continuarán cumpliendo las expectativas, como tener una buena estabilidad en contra de la oxidación y la herrumbre, poseer resistencia a la espuma y separación de agua. Muchas de estas propiedades son mejoradas a través del uso de diferentes aditivos. Sin embargo, esos aditivos pueden mejorar una propiedad pero afectar otra. La selección y compatibilidad de aditivos es muy importante para minimizar reacciones químicas adversas, que pueden destruir las propiedades esenciales de los fluidos hidráulicos.

ATENCIÓN

GLOSARIO

La selección que se realice y el cuidado que se preste al fluido hidráulico utilizado para el funcionamiento de una máquina, mediante un sistema hidráulico, ejercerá un importante efecto, tanto sobre el rendimiento de la máquina, como sobre la duración de los elementos hidráulicos del sistema.

ADITIVO

Sustancia que se añade a otra para otorgarle cualidades de las que carece o para mejorar las que ya posee. HERRUMBRE

Oxido de hierro, en especial en la superficie de objetos de hierro en contacto con la humedad.

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¿Cuál es el fluido hidráulico más utilizado? Cualquier líquido es prácticamente incompresible y por eso transmite la fuerza en un sistema hidráulico. El aceite con base petróleo es el más comúnmente utilizado en estos sistemas, ya que el aceite transmite la potencia fácilmente, porque es muy poco compresible. La propiedad más deseada del aceite es su habilidad de lubricación, ya que el líquido hidráulico debe lubricar la mayoría de las partes móviles de los componentes.

DISPOSITIVO HIDRODINÁMICO

DISPOSITIVO HIDROSTÁTICO

Utiliza el impacto o energía cinética del líquido para transmitir potencia.

El dispositivo se opera mediante la fuerza aplicada a un líquido confinado.

En este caso, la presión resulta ser la fuerza aplicada, distribuida en toda el área libre y se expresa como fuerza entre unidad de área (psi ó kg/cm2).


11.2

105 / 135

Funciones Principales del Fluido

¿Qué funciones cumple el fluido hidráulico? El fluido hidráulico posee cuatro finalidades principales:

1 TRANSMISIÓN DE POTENCIA

Como medio de transmisión de potencia, el líquido debe fluir con facilidad a través de las líneas y orificios de los elementos, ya que la excesiva resistencia al flujo crea una considerable pérdida de potencia. El fluido también debe ser tan incompresible como sea posible (es decir, que no cambie de volumen cuando esté sujeto a un cambio de presión), a fin de que cuando se arranque una bomba o se cambie de posición una válvula, la acción sea instantánea.

2 LUBRICAR LAS PIEZAS MÓVILES

En la mayoría de los sistemas hidráulicos, la lubricación interna la proporciona el fluido. Los elementos de la bomba y otras piezas están sujetos a desgaste debido a que se deslizan entre sí. En consecuencia, una película de aceite de por medio permite que el elemento tenga una larga duración. El aceite debe contener los aditivos necesarios para garantizar buenas características contra el desgaste.

LUBRICACIÓN DE PELÍCULA COMPLETA

LUBRICACIÓN LÍMITE O DE FRONTERA

Resulta deseable que las piezas móviles de un sistema hidráulico cuenten con los espacios suficientes como para permitirles desplazarse entre sí, con una buena película de aceite de por medio. Cuando esto ocurre, se dice que existe lubricación de película completa, en tanto el fluido posee la viscosidad adecuada y las diminutas imperfecciones de las superficies de las piezas no entran en contacto.

Sin embargo, en cierto equipo de alto rendimiento, con el que se trabaja a mayores velocidades y presión, aunados en menores espacios, estas condiciones obligan a que la película de fluido se haga muy delgada y entonces surge la situación denominada lubricación límite o de frontera. En este caso puede existir contacto de metal contra metal entre las orillas de las dos superficies de ajuste y se requiere entonces de alguna característica de lubricación química en el aceite.


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3 SELLAMIENTO ENTRE PIEZAS En muchos casos, el fluido es el único sello contra la presión en el interior de un componente hidráulico.

4 ENFRIAMIENTO

La circulación del aceite a través de las líneas y alrededor de las paredes del depósito, hace que ceda el calor que se genera en el sistema.

¿Qué es el punto de fluidez? Es la temperatura más baja a la que puede fluir un líquido, ésta es una especificación muy importante en los casos en el que el sistema hidráulico va a quedar expuesto a una temperatura sumamente baja.

ATENCIÓN

Como regla general, el punto de fluidez debe de estar a 20 °F (-6,6 °C) por debajo de la temperatura más baja que se espera encontrar.


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11.3 Requisitos de Calidad ¿Qué se requiere de un fluido hidráulico? Además de sus funciones primarias, al fluido hidráulico se le exige un gran número de otros requisitos de calidad, entre los que se pueden destacar:

Evitar la oxidación.

Evitar la formación de sedimentos.

Inhibir la espuma.

Mantener su propia estabilidad y por ende, reducir el costo del cambio de aceite.

Mantener un cuerpo relativamente estable en un amplio porcentaje de temperaturas.

Evitar la corrosión y la picadura.

Separar el agua.

Poseer compatibilidad con sellos y empaques.

Estos requisitos de calidad son a menudo resultado de composiciones especiales, y pueden no estar presentes en todos los fluidos.


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Resistencia a la oxidación La oxidación o unión química con el oxígeno, reduce gravemente la duración en servicio de un fluido. Los aceites derivados del petróleo son particularmente susceptibles a la oxidación, ya que el oxígeno se combina fácilmente tanto con el carbono como con el hidrógeno, que son los elementos que constituyen el aceite. La mayor parte de los productos de la oxidación son solubles en el aceite, ocurriendo nuevas reacciones de estos productos, que originan la formación de gomosidades, sedimentos y barnices. Los productos de la primera fase que permanecen en el aceite, son de naturaleza ácida y pueden causar corrosión en todo el sistema, además de aumentar la viscosidad del aceite. Las gomosidades, sedimentos y barnices insolubles:

Obstruyen orificios.

Aumentan el desgaste.

Provocan que se atasquen las válvulas.

Antiemulsibilidad En la mayoría de los sistemas, se pueden tolerar pequeñas cantidades de agua. De hecho, ciertos compuestos antioxidantes favorecen cierto grado de emulsificación, es decir, de mezcla con el agua que pueda introducirse al sistema. Con esto se evita que el agua se asiente y penetre la película de antioxidante. Sin embargo, si existe mucha agua en el aceite, se fomentará la acumulación de contaminantes que pueden originar que las válvulas se peguen y que se acelere el desgaste.

ATENCIÓN

Mediante un refinado adecuado se puede lograr que el aceite hidráulico cuente con un alto grado de antiemulsibilidad, es decir, de capacidad para mantener el agua separada.


ACTIVIDAD

Complete según corresponda en cada caso.

Señale las cuatro funciones centrales del fluido hidráulico:

1 2 3 4

Señale cuatro requisitos de calidad de un fluido:

1 2 3 4

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110 / 135

11.4 El Uso de Aditivos ¿Qué son los catalizadores? En un sistema hidráulico, existe siempre cierto número de catalizadores, es decir, agentes que pueden favorecer a aumentar la velocidad de una reacción. La temperatura es importante, las pruebas de laboratorio han demostrado que por abajo de 135 ºF (57.2 °C) el aceite se oxida muy lentamente, pero la rapidez de oxidación (así como de cualquier otra reacción química) aproximadamente se dobla por cada 18 ºF (7.7 °C) de aumento en la temperatura.

ATENCIÓN

Puesto que la mayor parte de las propiedades deseables en un fluido se pueden atribuir a los aditivos, podría suponerse que resulta posible incorporar aditivos comerciales a cualquier aceite, a fin de hacerlo más apropiado para un sistema hidráulico. Sin embargo, es conveniente reservar el uso de aditivos a la discreción del fabricante del fluido.

¿Para qué se utilizan aditivos? Las compañías refinadoras incorporan aditivos a los aceites hidráulicos a fin de hacerlos resistentes a la oxidación, ya que muchos sistemas hidráulicos operan a temperaturas bastante altas. Estos aditivos, detienen la oxidación inmediatamente luego que comienza, evitando que continúe.


OXIDACIÓN

CORROSIÓN

ÁCIDOS

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Es la unión química de algunos metales con el oxígeno.

Es una reacción química entre un metal y un agente químico, que en general se trata de un ácido.

Se forman mediante la unión química del agua con ciertos elementos.

Puesto que generalmente es imposible evitar que entre aire y humedad de la atmósfera al sistema hidráulico, siempre existe el riesgo de oxidación y corrosión. Durante la corrosión, las partículas del metal se disuelven y son arrastradas, tanto la oxidación como la corrosión contaminan al sistema y favorecen el desgaste. También permiten que existan fugas excesivas en las piezas afectadas y pueden hacer que dichas piezas se atasquen. La oxidación y la corrosión pueden ser inhibidas incorporando aditivos que se depositan en forma de película sobre las superficies metálicas, para evitar que sean atacadas químicamente.

GLOSARIO INHIBIDOR

Sustancia de débil concentración, que bloquea o retrasa una reacción química, un sistema o una función biológica.

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ACTIVIDAD

Indique si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas:

Verdadero

1

Los aceites derivados del petróleo no son susceptibles a la oxidación.

2

El punto de fluidez es la temperatura más baja a la que puede fluir un fluido.

3

Los sistemas hidráulicos no toleran el agua.

4

Cuando en un sistema existe contacto de metal contra metal entre las orillas de dos superficies de ajuste, se requiere de alguna característica de lubricación química en el aceite.

Falso

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11.5 El Aceite Derivado del Petróleo ¿Cuál es la base más utilizada para los fluidos hidráulicos? Hasta el momento, el aceite derivado del petróleo sigue siendo la base más utilizada para los fluidos hidráulicos. Las características o propiedades de los fluidos de aceite de petróleo dependen de tres factores:

1 El tipo de petróleo crudo que se utilice.

2 El grado y método de refinamiento.

3 Los aditivos que se utilicen.

¿Cuáles son las cualidades de este aceite? En general, el petróleo posee excelentes cualidades de lubricación y algunos aceites crudos cuentan con propiedades lubricantes o antidesgaste superiores a las comunes. Según su constitución, algunos aceites crudos pueden presentar mayor antiemulsibilidad, mayor resistencia a la oxidación a temperaturas más altas, o un índice de viscosidad mayor que otros. Por su naturaleza, el aceite protege contra la oxidación, proporciona un buen sello, disipa fácilmente el calor y es sencillo mantenerlo limpio mediante filtración o separación de los contaminantes por gravedad. La mayor parte de las propiedades deseables en un fluido, se pueden incorporar mediante refinamiento o aditivos, si es que no están presentes en el aceite crudo.

¿Qué desventajas tiene? Una de las principales desventajas del aceite de petróleo es que es combustible. Para aplicaciones en las que pueda haber riesgo de incendio, tales como tratamientos térmicos, soldadura eléctrica, forjado a presión, forja, entre muchas otras, existen diversos tipos de fluidos resistentes a la combustión.


En el siguiente cuadro, se resumen las ventajas del aceite derivado del petróleo.

Excelentes cualidades de lubricación.

Adecuada antiemulsibilidad.

Mayor resistencia a la oxidación a altas temperaturas.

Adecuado índice de viscosidad.

Protección contra la oxidación.

Adecuado sellamiento.

Buena disipación de calor.

Facilidad para mantenerlo limpio mediante filtrado.

Posibilidad de mejoras con aditivos.

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11.6 Fluidos Resistentes a la Combustión Existen tres tipos fundamentales de fluidos hidráulicos resistentes a la combustión:

1 Glicol-agua

2 Emulsiones de agua y aceite

3 Sintéticos

A continuación, se detallan exclusivamente las características de los fluidos del tipo glicol-agua.

1 ¿Cómo están compuestos los fluidos del tipo glicol-agua?

Los fluidos de agua y glicol están compuestos por:

Un 35 a 40% de agua, lo que proporciona resistencia a la combustión.

Un glicol (sustancia química sintética de la misma familia que los anticongelantes permanentes, como el etileno u otros glicoles).

Un espesador soluble en agua para mejorar la viscosidad.

Aditivos que evitan la formación de espuma, la oxidación y corrosión, y mejoran la lubricación.

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DESVENTAJAS DEL GLICOL - AGUA

VENTAJAS DEL GLICOL - AGUA

Los fluidos de agua y glicol generalmente presentan buenas características de resistencia al desgaste, siempre y cuando se eviten altas velocidades y grandes cargas.

Ciertos metales como el zinc, el cadmio y el magnesio reaccionan con los fluidos de agua y glicol y no se pueden utilizar en aquellos sistemas en que se deben utilizar pinturas y esmaltes compatibles, junto con estos fluidos.

El fluido posee una alta gravedad (es más pesado que el aceite), lo que permite crear un vacío más alto en las entradas de las bombas.

La mayor parte de los más recientes materiales sintéticos de selladura son compatibles con el fluido de agua y glicol.

Los asbestos (mineral que tiene una estructura fibrosa e inalterable al fuego y se utiliza como aislante térmico), el cuero y los materiales a base de corcho se deben evitar en los sellos rotatorios, puesto que tienden a absorber agua.

Resulta necesario medir continuamente el contenido de agua y compensar la evaporación de ésta a fin de mantener la viscosidad requerida.

La evaporación puede originar también la pérdida de ciertos aditivos, reduciéndose con ello la duración del fluido y la de los elementos hidráulicos.

Las temperaturas de operación deben estar dentro de los rangos establecidos.

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ACTIVIDAD

Este capítulo detalló los factores a tener en cuenta para la selección y mantenimiento de un fluido hidráulico, debido a su importancia para el funcionamiento de todo un sistema. La actividad siguiente tiene como objetivo repasar las funciones y requisitos de dicho fluido.

Indique las ventajas que corresponden a uno de estos fluidos, a ambos o a ninguno.

VENTAJA

1

Mayor resistencia a la oxidación a altas temperaturas.

2

No es combustible.

3

Resistencia al desgaste.

4

Posee una alta gravedad, lo que permite crear un vacío más alto en las entradas de las bombas.

5

Adecuada antiemulsibilidad.

6

Protección contra la oxidación.

ACEITE DERIVADO DEL PETRÓLEO

¡Felicitaciones! Usted ha finalizado el capítulo 11. A continuación se desarrollará el capítulo Ventajas y Desventajas de la Hidráulica.

FLUIDOS DE AGUA Y GLICOL

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Ventajas y Desventajas de la Hidráulica TEMAS DEL CAPÍTULO 12 12.1 Ventajas de la Hidráulica Velocidad variable Reversibilidad Protección ante sobrecarga Componentes pequeños y ligeros Posibilidad de detención 12.2 Desventajas de la hidráulica

Descriptos los principios, componentes, y modo de operación de los sistemas hidráulicos, este capítulo apunta a resumir las principales ventajas y desventajas de la Hidráulica.

119

123

12. Ventajas y Desventajas de la Hidráulica

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12.1 Ventajas de la Hidráulica ¿Cuáles son las ventajas de la hidráulica? La ventaja central de la hidráulica recae en que pequeños esfuerzos pueden producir y transmitir grandes fuerzas y potencias. Sus principales ventajas se describen a continuación:

1 Velocidad variable.

2 Reversibilidad.

3 Protección de sobrecarga.

4 Paquetes pequeños en relación a la fuerza transmitida.

5 Pueden ser detenidos en caso de una sobrecarga de presión.

1 VELOCIDAD VARIABLE

La mayoría de los motores eléctricos trabajan a una velocidad constante. También es deseable operar una máquina a una velocidad constante. Sin embargo, el actuador (lineal o rotatorio) de un sistema hidráulico puede ser dirigido a infinidad de velocidades variables al variar el abastecimiento de la bomba o usando una válvula de control de flujo.


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La velocidad de un elemento de salida en un sistema hidráulico, puede variarse tanto a una velocidad máxima, como a una velocidad mínima.

1.A VARIACIÓN A VELOCIDAD MÁXIMA

En la figura se muestra un ejemplo de esquema de cómo se puede variar la velocidad de un elemento de salida en un sistema hidráulico, en este caso a velocidad máxima, mediante una válvula de control.

1.B VARIACIÓN A VELOCIDAD REDUCIDA

En la figura se muestra un esquema de cómo se puede variar la velocidad de un elemento de salida en un sistema hidráulico, en este caso, a una velocidad reducida, mediante una válvula de control.


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2 REVERSIBILIDAD Otra de las ventajas en un sistema hidráulico, es que los actuadores pueden ser reversibles en plena operación sin ser dañados. Esto es posible al utilizar una válvula direccional que puede ejercer el control de la dirección del flujo, mientras que una válvula de alivio de presión protege los componentes del sistema de presión excesiva. En la figura se muestra un esquema de cómo realizar una inversión de un elemento de salida de un sistema hidráulico.

3 POTENCIA DE SOBRECARGA Otra de las ventajas de la hidráulica es la protección de sobrecarga, la cual consiste en colocar una válvula de alivio de presión en un sistema hidráulico, para protegerlo del daño que causa la sobrecarga. Cuando la presión excede el ajuste de la válvula, el abastecimiento de la bomba es dirigido al tanque con límites definidos de acuerdo a la fuerza de salida. Con la válvula de alivio se controla la presión, otorgando los medios para ajustar a las máquinas las fuerzas especificadas.


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4 PAQUETES PEQUEÑOS EN RELACIÓN A LA FUERZA TRANSMITIDA

Siendo muy pequeños y ligeros, los componentes hidráulicos, gracias a sus altas velocidades y la compatibilidad de presión, pueden proporcionar una alta fuerza de salida.

5 POSIBILIDAD DE DETENCIÓN Por último, los sistemas hidráulicos pueden detenerse en caso que sea necesario, sin causar daño alguno. Por ejemplo, un actuador hidráulico puede ser detenido sin causar daños cuando esté sobrecargado, y arrancará inmediatamente cuando le reduzcan la carga. Cuando esto suceda, la válvula de alivio desviará el abastecimiento de la bomba al tanque, y la única pérdida causada será el desperdicio de caballos de fuerza.

PREGUNTA

¿Cuáles son algunas de las aplicaciones de la Hidráulica en Tenaris que aprovechan las ventajas de este tipo de sistemas?

ATENCIÓN

Una ventaja adicional de la hidráulica es que el aceite empleado en el sistema es fácilmente recuperable.


12.2 Desventajas de la Hidráulica

¿Cuáles son las desventajas de la Hidráulica? Es importante tener en cuenta también ciertas desventajas de la Hidráulica:

1 La contaminación del aceite debido a rozamientos internos.

2 Los riesgos de fugas (en sellos, conexiones, mangueras).

3 La temperatura del aceite.

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ACTIVIDAD

La actividad propuesta a continuación permite repasar las principales ventajas y desventajas de la Hidráulica.

Señale si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas:

Verdadero

1

Sólo es posible reducir la velocidad de un elemento de salida en un sistema hidráulico.

2

Los actuadores pueden ser reversibles en plena operación sin ser dañados, mediante la utilización de válvulas para el control de la dirección del flujo.

3

Los componentes hidráulicos ofrecen una fuerza proporcional a su tamaño.

4

Un actuador hidráulico puede ser detenido sin causar daño cuando esté sobrecargado, y arrancará inmediatamente cuando le reduzcan la carga.

5

Una desventaja de la hidráulica es el riesgo de sobrecarga durante el funcionamiento del sistema.

6

Por los constantes rozamientos internos en un sistema, existe el riesgo de contaminación del aceite.

¡Felicitaciones! Usted ha finalizado el capítulo 12. A continuación se desarrollará el capítulo Simbología en el Sistema Hidráulico.

Falso

13


Simbología en el Sistema Hidráulico TEMAS DEL CAPÍTULO 13 13 Simbología en el sistema hidráulico 13.1 Líneas (tuberías) Línea de trabajo Línea piloto Línea de drenaje 13.2 Componentes rotatorios 13.3 Cilindros 13.4 Válvulas 13.5 Depósito de aceite

Los sistemas hidráulicos pueden representarse a través de diagramas gráficos que a su vez contienen numerosos símbolos gráficos, que representan sus componentes y modo de operación. Las formas de representación gráfica y los símbolos principalmente utilizados, se explican en este capítulo final del Manual.

126 127

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13. Simbología en el Sistema Hidráulico

Simbología en el Sistema Hidráulico

13

¿Cómo se indican los circuitos hidráulicos y sus componentes? Los circuitos hidráulicos y sus componentes se indican de diversas formas en los dibujos. Según la información que nos debe proporcionar la ilustración, se puede tener: Una representación de la figura en la parte externa del componente.

Un diagrama gráfico que indique su función.

Un corte seccional que muestre la contracción interna.

Una combinación de los tres anteriores.

¿Para qué se utilizan los símbolos gráficos? En este capítulo, utilizaremos la ilustración más común en la industria, que es el diagrama gráfico y simbólico. Los símbolos gráficos constituyen la taquigrafía de los diagramas de los circuitos, utilizándose formas geométricas sencillas que indican las funciones de interconexiones de las líneas y componentes.

¿A qué refieren los distintos tipos de símbolos? Existen diferentes símbolos utilizados comúnmente, que corresponden a los distintos elementos de un sistema hidráulico:

Líneas (Tuberías)

Cilindros

Componentes rotatorios

Válvulas

PREGUNTA

¿En qué situaciones cotidianas del trabajo en Tenaris se suelen utilizar diagramas de símbolos hidráulicos?

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13.1 Líneas (Tuberías) ¿Cómo se simbolizan las tuberías? Las tuberías, tubos y pasos hidráulicos se trazan como una simple línea. Existen tres clasificaciones fundamentales las cuales son:

1

LÍNEA DE TRABAJO

Una línea de trabajo (línea continua) lleva la corriente principal del flujo del sistema. Para efectos del diagrama gráfico, quedan incluidas en las mismas categorías la línea de entrada de la bomba succión, las líneas de presión y las de inversión al depósito.

2

LÍNEA PILOTO

Una línea piloto (guiones largos) lleva el fluido que se utiliza para controlar el funcionamiento de una válvula u otro componente.

3

LÍNEA DE DRENAJE

Una línea de drenaje (guiones cortos) lleva el aceite de regreso al depósito donde se almacena el fluido utilizado.

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13.2 Componentes Rotatorios ¿Cuáles son los símbolos de componentes rotatorios? Un círculo es el símbolo básico para un componente rotatorio. Las fuentes de energía se muestran con triángulos para indicar la energía (bombas) o como receptores de energía (motores). Si el elemento es unidireccional, el símbolo presenta solamente un triángulo, mientras que una bomba o motor reversible se dibuja con dos triángulos.

MOTOR (UNA DIRECCIÓN)

El triángulo apunta hacia adentro, el motor recibe flujo

MOTOR REVERSIBLE

Dos triángulos demuestran reversibilidad

BOMBA

El triángulo de energía apunta hacia afuera, mostrando la dirección del flujo


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13.3 Cilindros ¿Cómo se representan los cilindros? Para representar gráficamente un cilindro en un diagrama hidráulico, se dibuja un rectángulo indicando el pistón, el vástago y las conexiones de los orificios.

Un cilindro de simple acción se dibuja abierto al extremo del vástago y con sólo una conexión al orificio del extremo de la tapa.

El cilindro de doble acción se representa cerrado y con dos orificios.

En la siguiente figura se muestra la representación gráfica de un cilindro en un diagrama hidráulico.


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13.4 Válvulas

¿CÓMO SE REPRESENTAN LAS VÁLVULAS? El símbolo fundamental de una válvula es un cuadrado. A éste se les agregan flechas, con el objetivo de mostrar las trayectorias del flujo y la dirección del mismo. Las válvulas de alivio se considera que pueden adoptar cualquier posición, desde totalmente cerradas, hasta totalmente abiertas, según el volumen de líquido que pasa a través de ellas. En la siguiente figura se muestra la representación gráfica de una válvula de alivio.


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Las válvulas de posición finitas son direccionales y sus símbolos constan de un cuerpo rectangular indicando con flechas las posiciones en las cuales la válvula puede operar. En la figura anterior se muestra la representación gráfica de una válvula de alivio. En la siguiente figura se muestra un ejemplo de lo que se indica mediante la simbología de la válvula direccional. En este caso, se trata de una válvula direccional de 4 vías y 3 posiciones, con activamiento de palanca y retroceso de resorte y manual.

Aclaración

P

Conexión de presión (de la bomba)

T

Tanque

AyB

Conexiones a la aplicación


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13.5 Depósito de Aceite ¿Cómo se representan los depósitos? El depósito se dibuja en forma de rectángulo, abierto en su parte superior cuando se trata de un depósito con respiradero y cerrado, cuando es un depósito presurizado. Por conveniencia, se pueden dibujar varios símbolos en un diagrama, aún cuando no exista más que un solo depósito.

¿CÓMO SE REPRESENTA UN CIRCUITO HIDRÁULICO COMPLETO? La figura muestra el diagrama gráfico de todo un circuito hidráulico. Nótese que no se hace ningún intento por describir el tamaño, forma, colocación o construcción de ninguno de sus elementos. Lo que sí muestra el diagrama es la función y las conexiones, lo cual es suficiente para la mayor parte de las aplicaciones de la rama.


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ANEXO SIMBOLOGIA HIDRAULICA

En las siguientes tablas, se listan las referencias de los principales símbolos utilizados en la Hidráulica. Simbología – Tabla 1


Simbología – Tabla 2

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Simbología – Tabla 3

En este punto finaliza la descripción de la Simbología en el Sistema Hidráulico. ¡Felicitaciones! Ha finalizado el curso de Generalidades Hidráulicas.

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TX-TMP-0001 MP Hidráulica Básica

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