Hidraulica I

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HIDRAULICA I Este libro le permitirá al lector, reconocer las características y las aplicaciones industriales de la hidráulica, así como las características de sus componentes. En el texto se tratarán también, la interpretación de las representaciones normalizadas y las técnicas principales para el diagnóstico de fallas en sistemas hidráulicos básicos. El participante tendrá la oportunidad de identificar las partes de un sistema hidráulico, las principales válvulas de control de presión y caudal, así como el funcionamiento de algunos sistemas básicos para el control de cilindros y motores hidráulicos.

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Oleohidráulica Unidad I

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“OLEOHIDRÁULICA” 1. OLEOHIDRÁULICA Es la transmisión y control de fuerzas y movimientos mediante fluidos sometidos a presión. Estos fluidos son generalmente aceites minerales. Hagamos la diferencia entre HIDRÁULICA que abarca un sentido mas amplio al indicar que trabaja en general con fluidos y la OLEOHIDRÁULICA que particularmente trabaja con aceite. En nuestro medio utilizamos indistintamente el término HIDRÁULICA para indicar ambas posibilidades.

2. APLICACIONES DE LOS SISTEMAS HIDRÁULICOS Los sistemas hidráulicos tienen diversas aplicaciones: desde la “gata hidráulica” para levantar una carga hasta aplicaciones especiales que requieren de fuerzas de miles de toneladas, grados de precisión de centésimas de mm. y automatización exigente como las requeridas por máquinas aeroespaciales.

BASE DE PRUEBA OLEOHIDRAULICO (RIQ MANNESMAN REXROTH)

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HIDRAULICA I Área de Información Técnica Para poder brindar un panorama general sobre los distintos campos de aplicación de la hidráulica se la ha dividido en sectores:

2.1. HIDRÁULICA INDUSTRIAL Aplicaciones en máquinas de inyección, máquinas herramientas, industria metalúrgica, prensas.

MAQUINA INYECTORA DE PLASTICO (RIQ MANNESMAN REXROTH)

PRENSA DE FORJADO DE 9000 Tn (RIQ MANNESMAN REXROTH)

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2.2. HIDRÁULICA EN EL SECTOR MÓVIL Y MAQUINARIA PESADA Aplicaciones en cargadores, grúas, excavadoras, maquinaria vial, de construcción y agropecuaria.

HIDRAULICA EN EL SECTOR MOVIL (RIQ MANNESMAN REXROTH)

MAQUINA ESTIBADORA PARA CARGA PESADA (RIQ MANNESMAN REXROTH)

DRIVE AND CONTROL SYSTEMS FOR EXCAVADOR (ENGINEERING MANNESMAN REXROTH)

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DRIVE AND CONTROL SYSTEMS FOR EXCAVADOR (ENGINEERING MANNESMAN REXROTH)

DRIVE AND CONTROL SYSTEMS FOR EXCAVADOR (ENGINEERING MANNESMAN REXROTH)

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2.3 HIDRÁULICA MARÍTIMAS

EN

CONSTRUCCIONES

FLUVIALES,

LACUSTRES

Y

Aplicaciones en esclusas y presas, accionamiento de puentes, turbinas, etc.

COMPUERTA PARA LA PROTECCION DE UNA CIUDAD DEL MAR (RIQ MANNESMAN REXROTH)

TRANSPORTADORAS DE PLATAFORMAS PETROLERAS (2500 Tn) (RIQ MANNESMAN REXROTH)

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HIDRÁULICA EN LA MARINA Aplicaciones en timones, grúas, compuertas, motores para las redes etc.

LA HIDRAULICA ES PREPONDERANTE EN LOS SISTEMAS MARINOS (RIQ MANNESMAN REXROTH)

OLEOHIDRAULICA EN PLATAFORMAS DE EXTRACCION DE PETROLEO (RIQ ENGINEERING MANNESMAN REXROTH)

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2.4 HIDRÁULICA EN TECNICAS ESPECIALES Aplicaciones en bancos de prueba y de investigación, accionamiento de antenas, tren de aterrizaje de aviones, máquinas especiales.

SISTEMA DE MOVIMIENTOS PARA PRUBAS DE SIMULACION DE HELICOPTEROS (RIQ MANNESMAN REXROTH)

EQUIPO SE SIMULACION CON 3 GRADOS DE LIBERTAD (RIQ MANNESMAN REXROTH) En este resumen no han sido nombradas todas las posibilidades de aplicaciones de la hidráulica ya que la gama de máquinas controladas o impulsadas hidráulicamente es muy grande pero hay que destacar que las aplicaciones de la hidráulica han venido aumentando notablemente en los últimos 20 años, esperándose un mayor crecimiento y aplicación.

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3. VENTAJAS DE LA HIDRÁULICA FACILIDAD DE OBTENER GRANDES FUERZAS Y TORQUES. Los valores de fuerza a obtener son ilimitados, se trabaja a las mismas presiones y solo se incrementa el área de los actuadores. EXACTITUD DE MOVIMIENTO Y DE POSICIONAMIENTO. Pueden lograrse grandes exactitudes y precisiones al trabajarse con un fluido prácticamente incompresible. Además los sistemas hidráulicos pueden controlarse electrónicamente en lazo abierto o en lazo cerrado (feed back) lográndose un control preciso de sus parámetros. Estas técnicas se aplican al utilizar válvulas proporcionales y servoválvulas. FÁCIL CONTROL Y REGULACIÓN. Las magnitudes de regulación y control de la hidráulica son el la presión y el caudal las cuales con sus correspondientes parámetros de fuerza, torque y velocidad y aceleración son fáciles de controlar regulándose en niveles (digital) o en forma continua (análogo). RELACIONES PESO/POTENCIA, INERCIA/POTENCIA Y TAMAÑO / POTENCIA PEQUEÑAS. Para la misma potencia mientras el peso de un motor hidráulico es como 1, el peso de un motor eléctrico es como 14. Como consecuencia se usan en aviones, barcos y en general en equipos móviles. Para la misma potencia un motor hidráulico tiene una inercia de 1 y un motor eléctrico tiene una inercia de 70. Como consecuencia los motores hidráulicos tienen un menor tiempo de respuesta, esto es más rápidos, al ser menor su inercia. Mientras que para la misma potencia un motor hidráulico tiene un tamaño de 1, un motor eléctrico tiene un tamaño de 26. La comparación de un motor hidráulico con un motor de combustión interna es obviamente mucho mas remarcada. •

VELOCIDAD VARIABLE. La mayoría de los motores eléctricos funcionan a una velocidad constante. El actuador (lineal o rotativo) de un sistema hidráulico, sin embargo puede moverse a velocidades infinitamente variables, variando el caudal de la bomba o usando una válvula de control de caudal o una válvula proporcional. Además un motor eléctrico debe ser muy robusto (mayor cantidad de polos) para lograr “bajas” velocidades (1200 o 900 rpm), y la volante de un motor de combustión interna gira en ralentí a 500 o 800 rpm, en ambos casos si se quiere lograr menores velocidades se debe de recurrir tradicionalmente a una caja reductora de velocidad *, en cambio con un motor hidráulico se pueden obtener cualquier gama de velocidad con mucha flexibilidad. *Actualmente los sistemas electrónicos de potencia pueden ser una alternativa al controlar mediante variadores de velocidad las RPM del motor eléctrico.

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REVERSIBILIDAD. Pocos actuadores son reversibles. Los que son reversibles, generalmente deben decelerarse y luego acelerarse lentamente, en cambio un actuador hidráulico puede invertirse, instantáneamente, en pleno movimiento, sin problemas. Una válvula direccional o una bomba reversible proporcionan el control de la inversión, mientras que una válvula limitadora de presión protege a los componentes del sistema contra las presiones excesivas.

•

PUEDEN BLOQUEARSE (velocidad = 0). El bloqueo de un motor eléctrico causa daños o funde el fusible. Igualmente, las máquinas no pueden bloquearse bruscamente e invertirse su sentido sin necesidad de arrancar de nuevo. Un actuador hidráulico, sin embargo, puede quedar bloqueado sin que se produzcan daños, al estar sobrecargado, y arrancará inmediatamente en cuanto disminuya la carga.

•

SON SISTEMAS AUTOLUBRICADOS ya que tienen como principal fluido al aceite el cual no solo transporta la energía sino también lubrica todas las partes del sistema.

4. DESVENTAJAS DE LA OLEOHIDRÁULICA •

ALTAS PÉRDIDAS EN FORMA DE ENERGÍA CALORÍFICA, debido a la viscosidad del fluido y de la fricción con tuberías, mangueras y accesorios. La viscosidad del aceite es de 20 a 80 veces mayor a la viscosidad del agua, por ello que las pérdidas cuando circula el fluido a través de mangueras, tuberías, accesorios y en general de todo elemento generara pérdidas. Por ello que la energía hidráulica no se puede trasladar a grandes distancias y tratan de ser muy compactos.

•

SENSIBILIDAD A LA SUCIEDAD, el principal motivo de falla de un sistema hidráulico con una probabilidad del 70 al 80 % (cifras mundiales) es la suciedad que se introduce en el sistema hidráulico. Debemos tomar en cuenta que visualmente no podemos cuantificar la suciedad tomando en cuenta que la vista humana solo puede distinguir partículas a partir de tamaños de 40 micras y que las partículas que mas daños causan a los sistemas hidráulicos son del orden de 1 a 10 micras que es el juegos en los elementos internos de las bombas, válvulas y actuadores.

•

DEPENDEN DE LA TEMPERATURA, la viscosidad del aceite depende de la temperatura, lo que hace que los sistemas hidráulicos dependan de la temperatura. Si el aceite tiene alta o baja viscosidad no lubricará apropiadamente las partes metálicas entrando en contacto metal - metal produciéndose rozamiento y desgaste.

•

FUGAS INTERNAS, en algunos componentes originando pérdidas de velocidad y precisión.

•

PELIGROS DE EXPLOSIÓN Y ACCIDENTES al trabajar con elevadas presiones.

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5. COMPARACIÓN: HIDRÁULICA CON NEUMÁTICA 5.1. VENTAJAS DE LA HIDRÁULICA FRENTE A LA NEUMÁTICA •

Presiones mayores (20 – 350 bar) permiten obtener mayores fuerzas que en la neumática cuya presión de trabajo comúnmente es de 6 bar. Mientras que con el uso de los sistemas hidráulicos se pueden obtener fuerzas del orden de las miles de toneladas, con el uso de neumática se pueden obtener 2 – 3 toneladas de fuerza.

•

Movimientos y recorridos precisos debido a su trabajo con fluido incompresible, mientras que en neumática al trabajarse con fluido compresible es mucho más difícil posicionar exactamente a un actuador. Con el uso de los sistemas hidráulicos se puede posicionar un pistón el cualquier lugar; con el uso del aire comprimido comúnmente solo se logran movimientos de entrada y salida.

•

Costos de trabajo barato ya que no se descarga energía al medio ambiente. Mientras que el costo por ciclo de trabajo en hidráulica es de 1 en neumática es de 2,5.

5.2. DESVENTAJAS DE LA HIDRÁULICA FRENTE A LA NEUMÁTICA •

Costo inicial alto.

•

Existen peligros que revienten algunos componentes.

•

La velocidad de trabajo de los actuadores hidráulicos es menor que la velocidad alcanzada por los actuadores neumáticos. Por ejemplo las máximas velocidades alcanzadas por un actuador hidráulico es inferior a 1 m / s mientras que en un actuador neumático es superior a 3 m / s.

•

Necesitan tuberías de retorno.

•

En caso de fugas se ensucian las persona, los productos y el medio ambiente.

•

Es limitada la distancia de traslación de la energía de fluido (hasta 100 m ), en cambio con los sistemas neumáticos se puede trasladar la energía del fluido a distancias de hasta 1000 m.

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Fundamentos Unidad II

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“FUNDAMENTOS” 1. FLUIDO Es toda aquella sustancia cuyas moléculas gozan de gran movilidad unas con respecto a otras, de tal manera que estos cuerpos toman espontáneamente la forma del recipiente que los contiene.

2. CLASIFICACIÓN A los fluidos se los puede clasificar de muy diversas maneras. Una de estas clasificaciones toma en cuenta su densidad.

2.1 FLUIDO COMPRESIBLE Aquellos que varían su densidad. Por ejemplo el aire (Neumática)

2.2. FLUIDO INCOMPRESIBLE Aquellos que no varían su densidad. Por ejemplo el aceite (Hidráulica)

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3. HIDROSTÁTICA - HIDRODINÁMICA Una de las clasificaciones para el estudio de los fluidos es por su velocidad:

3.1 HIDROSTÁTICA Estudio de los fluidos en reposo. En hidráulica consideraremos a un fluido en “reposo” cuando la energía de velocidad es comparativamente pequeña en comparación con la energía de presión. Es decir a pesar que el fluido este en movimiento, la energía de presión es la que predomina, de aquí que se denomine a los sistemas hidráulicos (oleohidráulicos) como SISTEMAS HIDROSTÁTICOS.

3.2. HIDRODINÁMICA Estudio de los fluidos en movimiento. En los SISTEMAS HIDRODINÁMICOS la energía que predomina es la energía de velocidad. Por ejemplo los Convertidores de Par* utilizan la energía de velocidad del fluido hidráulico. Sistema que utilizan la maquinaria pesada para su desplazamiento a partir de la alta velocidad de la volante del motor con bajo torque transformado a alto torque y baja velocidad. Una turbina Pelton transforma la energía de velocidad del fluido que ha obtenido como consecuencia de la energía geodésica o potencial.

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4. DEFINICIONES PRELIMINARES HIDROSTÁTICA:

4.1 LEY DE PASCAL Los efectos de una fuerza sobre un fluido en reposo se propagan a través de todo el fluido. La presión en un fluido es igual a la intensidad de la fuerza aplicada sobre un área.

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4.2. PRESIÓN COMO CONSECUENCIA DEL PESO DEL FLUIDO El peso del fluido genera presión a una determinada altura de profundidad. El peso del fluido se evalúa como Y y la altura como h.

Este parámetro es insignificante en oleohidráulica, ya que las alturas de los equipos es solo del orden de pocos metros (Los equipos oleohidráulicos son muy compactos).

HIDRODINÁMICA: Los principios básicos que rigen el comportamiento de los fluidos en movimiento son:

4.3. CONSERVACIÓN DE LA MASA

4.3.1. ECUACIÓN DE CONTINUIDAD A partir de la ecuación anterior, para el caso de un fluido incompresible como el aceite

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HIDRAULICA I Área de Información Técnica De aquí que en una tubería de diferentes diámetros, el aceite va a tener diferentes velocidades. En los tramos de menor diámetro, se desplazará a mayor velocidad y en los tramos de menor diámetro, se desplazará a menor velocidad pero el caudal permanecerá constante.

4.4. CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA (PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA)

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4.5. ECUACIÓN DE BERNOULLI En un fluido incompresible, no viscoso, SIN ROZAMIENTO, cualquier punto de una línea de corriente tiene los siguientes tipos de energía cuya suma permanece constante:

HIDROSTÁTICA HIDRODINÁMICA

Las unidades de la ecuación anterior son de energía, en cambio es muy común expresar la ecuación de Bernoulli en términos de altura:

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HIDRAULICA I Área de Información Técnica En un fluido incompresible, viscoso, CON ROZAMIENTO en dos puntos de una línea de corriente se establece:

Donde el término:

5. PRESIÓN DEBIDA A LA FUERZA Todo cuerpo ejerce una presión p sobre la superficie en la que se apoya, cuya magnitud depende de la fuerza F del peso del cuerpo y la superficie A en la que se apoya dicho cuerpo.

En la figura, se tiene el mismo cuerpo ubicado de distinta manera, luego se ejercerán diferentes presiones sobre las superficies de apoyo.

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De la misma manera en los sistemas oleohidráulicos: “Si se aplica la misma fuerza: A mayor área, menor presión; A menor área, mayor presión”

Aplicación: Un Bombín (Bomba de pistón) de una gata hidráulica, mientras mas delgado (pequeño en términos de menor área) podrá levantar mayor presión.

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Ejemplo:

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6. MULTIPLICACIÓN DE LAS FUERZAS Un sistema tiene la configuración mostrada:

Las presiones se calculan de la siguiente manera:

Aplicando la Ley de Pascal “La presión en todos los puntos del fluido es la misma”, por lo tanto:

“Las fuerzas son proporcionales a sus respectivas áreas” Aplicando una fuerza pequeña sobre un área pequeña, se obtiene una fuerza grande aplicada sobre un área grande

“La fuerza de salida es igual a la fuerza de entrada multiplicado en el factor (A2/A1)” Ejemplo 1: En la figura mostrada determine el peso (kg) del elefante que sostiene el peso del gato

“Con poca fuerza aplicada se puede obtener grandes fuerzas de trabajo”

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HIDRAULICA I Área de Información Técnica Ejemplo 2: En el recipiente mostrado:

Nota Importante: En un plano, cuando no se indican las unidades de longitud, éstas son expresadas en mm. En el punto A se aplica una fuerza de 50 kg-f. a) b) c)

Graficar la presión dentro del recipiente. Determinar la presión (kg-f /cm2) Determine la fuerza (kg-f) que se puede desplazar en el punto B.

Solución:

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7. DIVISIÓN DE DISTANCIAS En el diagrama: Al aplicar la fuerza F1 el embolo 1 se desplazará hacia abajo una determinada distancia S1, lo cual determinará el desplazamiento de una determinada cantidad de volumen de aceite, lo cual hará que el émbolo 2 se desplace hacia arriba una determinada distancia S2. Como el fluido (Aceite Hidráulico) es incompresible el volumen desplazado por el embolo 1 es igual al volumen desplazado por el embolo 2.

El desplazamiento S es inversamente proporcional a las áreas. Conclusión: “Lo que se gana en fuerza, se pierde en desplazamiento”.

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HIDRAULICA I Área de Información Técnica Ejemplo:

Si el émbolo 1 se desplaza 10 cm el émbolo 2 se desplazara:

Si el émbolo sobre el que descansa el gato se desplaza 10 cm, el émbolo sobre el que descansa el elefante solo se desplaza 1 centésima de mm !!. Esto nos lleva a la necesidad de introducir una máquina que proporcione el desplazamiento; así el émbolo donde descansa el gato se puede sustituir por una bomba de pistones accionada por un motor eléctrico.

8. MULTIPLICADOR DE PRESIONES En la figura mostrada: la presión p1 ejercida sobre un área A1 ejerce una fuerza F1, la cual es transmitida mediante el vástago al émbolo pequeño. En este caso, se genera en el émbolo pequeño una presión p2 que será de mayor magnitud que p1, debido a que su área de aplicación A2, es menor, para una misma fuerza F2 que es igual a F1.

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9. UNIDADES DE PRESIÓN

En la industria de nuestro país se emplean indistintamente, equipos cuyos indicadores de presión se encuentran en cualquiera de las unidades mencionadas, razón por la cual es importante saber la equivalencia entre cada una de ellas: Centro de Investigación y Tecnología Mecánica – ITM

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Aplicación: En la práctica se usa frecuentemente los valores “aproximadamente” para hacer las respectivas conversiones: Aproximadamente:

Así: 100 psi  6- 7 bar (100 psi equivale aproximadamente de 6 a 7 bar).

10. MEDICIÓN DE LA PRESIÓN Para medir la presión se toma como base dos escalas de medida. Escala de Presión Absoluta. Toma como punto de partida el Cero Absoluto, que es el punto donde no existe presión (Vacío total). Escala de Presión Relativa o Manométrica. Toma como punto de partida la Presión Atmosférica. A la medida de presión en la escala absoluta de 1 atm absoluta le corresponde la medida de presión en la escala relativa de 0 atm relativa ó 0 atm manométrica Luego:

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HIDRAULICA I Área de Información Técnica En el siguiente diagrama podemos ver la relación entre estas dos escalas:

Para el punto A el valor de la presión en la escala absoluta es de 3 atm absoluta mientras que el valor de la misma presión en la escala relativa o manométrica es de 2 atm relativa o simplemente 2 atm. Observe: • • • •

Que a las unidades se le ha agregado el término absoluto y relativo para poder distinguir la escala a que se esta haciendo referencia. Cuando tratemos el termino “presión” nos estaremos refiriendo a la “presión manométrica o relativa”. Las presiones absolutas no tienen valores negativos.. Las presiones relativas o manométricas pueden tener un valor máximo negativo de 1 atm.

Para el punto B el valor de la presión absoluta será de 0,8 atm absoluta, mientras que el valor de presión manométrica será de - 0,2 atm relativa. A las presiones que se encuentran por debajo de la presión atmosférica se denominan: “presión de vacío o presión negativa o presión de succión o depresión”. Casi la totalidad de instrumentos están expuestos a la presión atmosférica, por lo que el valor que medirán será un valor por arriba ( o por debajo ) de la presión atmosférica; en otros términos medirán el valor de sobre presión ( o de depresión ) con respecto de la presión atmosférica. Centro de Investigación y Tecnología Mecánica – ITM

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HIDRAULICA I Área de Información Técnica Los instrumentos que miden la presión tomando como referencia la presión atmosférica se denominan:

MANOMETROS. Los instrumentos que miden la presión negativa o depresión se denominan

VACUOMETROS. Los instrumentos que miden la presión atmosférica se denominan BAROMETROS. Las presiones absolutas se miden comúnmente en forma indirecta: con un Manómetro y un Barómetro. En la práctica predominan totalmente las presiones Manométricas o Relativas.

10.1. MANOMETRO El manómetro de Bourdon es el instrumento más importante que se utiliza en oleohidráulica. Nos indica el valor de la presión relativa (sobrepresión) y puede tener comúnmente unidades: bar, psi, kg/cm2, etc. Consta de los siguientes elementos:

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HIDRAULICA I Área de Información Técnica El muelle tubular es desdoblado por una sobrepresión p. Tanto mayor la presión, tanto mayor es también la abertura del radio de doblado. Este movimiento se transmite a la aguja mediante la palanca, el segmento de cremallera y el piñón. La sobrepresión puede leerse en la escala. En la parte conectada del manómetro se encuentra el punto de estrangulación que tiene por objetivo amortiguar las sobrepresiones (picos de presión) y hacer una lectura más estable. Comúnmente esta inmerso en glicerina la que amortigua las vibraciones de la aguja, sin este fluido de alta viscosidad la aguja vibraría y se deterioraría rápidamente.

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Caudal y Generación de Presión Unidad III

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“CAUDAL Y GENERACIÓN DE PRESIÓN” 1. CAUDAL 1.1. FLUJO VOLUMÉTRICO El caudal es el flujo volumétrico. Es decir es el volumen de fluido V que fluye por un punto en el tiempo t.

Ejemplo: Si queremos llenar un depósito cuyo volumen es de 20 litros en el tiempo de dos minutos, se necesita un caudal:

Aplicación: Con este concepto es posible determinar el caudal que entrega una bomba con solo contar con un recipiente graduado y un reloj o cronómetro. Como aplicación practica podríamos determinar el caudal que entrega el caño de su casa, con la ayuda de un balde con volumen conocido (comúnmente de 10 a 30 litros) y un reloj.

1.2. CONTINUIDAD Por continuidad, para fluidos incompresibles, el caudal es el producto de la Velocidad por el Área

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HIDRAULICA I Área de Información Técnica Es muy común usar una relación alternativa que toma en cuenta la conversión de unidades.

Aplicación:

La bomba envía caudal constante hacia el sistema en forma continua. La bomba toma aceite del tanque y lo envía hacia el sistema. La línea de succión tiene un mayor diámetro que la línea de descarga: Luego concluimos: “El caudal es el mismo en la línea de succión y en la línea de descarga”. “La velocidad en la zona de succión es menor que en la zona de descarga”. “El caudal en la tubería es igual al caudal en la zona del embolo del pistón”. “La velocidad del fluido es mayor en la tubería que en la zona del embolo del pistón”. “El caudal en el lado del émbolo es diferente al caudal al lado del vástago del cilindro”. “La velocidad es la misma al lado del émbolo que al lado del vástago”.

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OBSERVACIONES: El teorema de continuidad se aplica a una línea de corriente por lo que el caudal en el lado del embolo del cilindro es diferente al caudal en el lado del vástago POR QUE NO HAY CONTINUIDAD:

El desplazamiento del volumen de aceite determina la velocidad del actuador. Luego: “Si un actuador pistón o motor está lento es porque no le llega suficiente caudal y no porque le falte presión“. La RAPIDEZ CON QUE SE TRANSMITE LA SEÑAL ES DE:

Como se observa los caudales y las áreas determinan la velocidad del fluido. Estas velocidades del fluido están limitadas por las perdidas de energía que causan debido al rozamiento entre el fluido mismo y el rozamiento con las tuberías por lo que se recomienda las siguientes velocidades máximas en las tuberías de Sistemas Hidráulicos VELOCIDAD

Líneas de Succión Líneas de Retorno a Tanque Líneas de Presión Velocidad de los Actuadores

v v v v

1,5 3,0 5,0 1,0

m/s m/s m/s m/s

Ejemplo 1: Determinar el caudal Q en l/min i en GPM que llega al pistón si tiene una velocidad de salida de 0,1 m/s

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HIDRAULICA I Área de Información Técnica Solución:

Ejemplo 2: Determinar el caudal Q ( l/min ) que sale del pistón para el ejemplo anterior. Solución:

1.3. CAUDAL EN UNA BOMBA O MOTOR CONTINUO.DESPLAZAMIENTO VOLUMÉTRICO

EN

REGIMEN

Una bomba tiene una característica geométrica muy importante denominada desplazamiento volumétrico DV o volumen de expulsión definida como el volumen de fluido que desplaza o que impulsa en una revolución (cm3/rev). Si una bomba gira n revoluciones por cada minuto el caudal que envía (recibe) será: En el caso de un motor hidráulico se denomina Volumen Absorbido VA.

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HIDRAULICA I Área de Información Técnica Ejemplo: Calcular del caudal (GPM) que impulsa una bomba de engranajes si tiene un desplazamiento volumétrico DV de 10 cm3 por revolución y esta acoplada a un motor eléctrico de 1800 rpm. Solución:

Aplicaciones: El Desplazamiento Volumétrico es el parámetro más importante para la selección de una bomba o motor hidráulico. El Desplazamiento Volumétrico es sinónimo de tamaño o Volumen: “Una bomba pequeña tendrá un DV pequeño e impulsa poco caudal y una bomba grande tendrá un DV grande e impulsa bastante caudal”. El Desplazamiento Volumétrico de una bomba o motor hidráulico se puede determinar aproximadamente en forma práctica llenando la cavidad de la bomba con aceite hidráulico y luego se vierte este volumen en un recipiente graduado. Este valor se multiplica por las rpm del motor que accionará a la bomba (Si es eléctrico: 1800 rpm, 3600 rpm; Si es de combustión interna 1500...4000 rpm). Algunos catálogos toman el valor de 1500 rpm para evaluar un caudal estándar de la bomba. También se puede evaluar el desplazamiento volumétrico a través de relaciones geométricas de su estructura interna que están en función del tipo de bomba.

1.4. MEDICIÓN DEL CAUDAL La forma más sencilla de medir el caudal es utilizando un recipiente graduado (V) un cronómetro (t), no obstante es recomendable emplear caudalímetros.

y

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1.4.1. CAUDALÍMETRO Instrumentos que miden el caudal Se representan:

Tipos: TURBINAS DE MEDICIÓN: Sus revoluciones indican la magnitud del caudal; es decir, las revoluciones son proporcionales al caudal.

DIAFRAGMA: La pérdida de presión medida en el diafragma es proporcional al cuadrado del caudal. “Un aumento en el caudal produce un aumento cuadrático de la caída de presión”.

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Se muestra un caudalimetro de 0... 5 l/min cuyo principio es la caída de presión en el elemento móvil:

2. GENERACIÓN DE LA PRESIÓN “La presión se origina, cuando el caudal encuentra una resistencia a su desplazamiento”. Definiciones previas:

Se muestra una bomba que envía un caudal de 10 l/min. , tiene su salida conectada a una válvula de seguridad regulada a 80 bar y a una válvula de apertura – cierre. Si la válvula de apertura – cierre esta totalmente abierta, no hay resistencia; el caudal que envía la bomba pasa libremente y la presión en el manómetro marca cero (realmente el manómetro debe de indicar un pequeño valor debido a la fricción y a las pérdidas de energía en la tubería).

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A medida que se va cerrando la válvula, se va aumentando la resistencia al paso del fluido y la lectura en el manómetro empezará a aumentar, si seguimos cerrando, la presión aumentará sin límite debido a que la bomba siempre envía 10 l/min.

Pero al llegar a 80 bar, se abre la válvula de seguridad y deja pasar todo el fluido, no dejando que la presión sobrepase este límite. Por ello es importante la válvula de seguridad denominada realmente Válvula Limitadora de Presión.

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Cuando los fluidos se desplazan tienen varias alternativas de caminos a seguir:

2.1. SISTEMA EN PARALELO “Cuando los caminos alternativos en paralelo ofrecen resistencias diferentes el fluido toma el camino de menor resistencia”. Ejemplo: En la figura 3.12 la bomba envía 10 I/min. Las tuberías A, B y C, ofrecen resistencias al paso del fluido de 10 bar, 30 bar, y 50 bar respectivamente. Al tener varias alternativas de circulación el fluido pasará por el camino que menor resistencia le ofrece, en este caso la tubería A y el manómetro marcará 10 bar.

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HIDRAULICA I Área de Información Técnica Si se bloquea el tubo A (Fig. 3.13), el manómetro marcará 30 bares. (Menor resistencia entre las tuberías de las alternativas B y C)

Si se bloquea las tuberías A y B el fluido pasara por la tubería C indicando el manómetro 50 bares.

2.2. SISTEMA EN SERIE “Cuando hay solo un camino con diversas resistencias, las resistencias evaluadas en términos de presión se suman”. Ejemplo: En este caso, la presión indicada en el manómetro es la resistencia equivalente a la suma de las resistencias de 30 bares y 10, es decir 40 bares.

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Si se invierten las resistencias igualmente la presión indicada por el manómetro será la suma de las dos resistencias, es decir 40 bares.

2.3. CAÍDA DE PRESIÓN Cuando el fluido pasa por un paso restringido o cualquier elemento que le representa resistencia, se produce una diferencia de presión (caída de presión). Se denomina caída de presión, puesto que si un fluido circula por un orificio, la presión a la salida del orificio, (en el sentido de la corriente), es menor que la presión a la entrada.

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HIDRAULICA I Área de Información Técnica Dicha caída de presión depende principalmente de la velocidad con que circula el fluido

Pero influyen una serie de parámetros como: La viscosidad del fluido La temperatura del fluido El área (diámetro) del estrangulamiento El caudal que realmente circula La rugosidad La longitud La forma del conducto. Ejemplo: Si a través de la misma tubería circula mayor caudal la caída de presión aumenta.

Lógicamente si no hay caudal, la caída de presión es cero, lo que no indica que no exista presión. (La presión es igual en todos los puntos de un recipiente que mantiene a un fluido en reposo).

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HIDRAULICA I Área de Información Técnica Estos valores los podemos representar a través del gráfico:

La generación de presión es sinónimo de energía disponible. Las caídas de presión son sinónimos de energía pérdida. Por efecto de las caídas de presión se condicionan los diseños, tamaños, formas, etc. La importancia de estos temas radica en que leyendo los valores de presión correspondientes es posible diagnosticar el funcionamiento o la falla de un sistema hidráulico.

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Sistemas Hidráulicos Unidad IV

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“SISTEMAS HIDRÁULICOS” 1. SISTEMAS HIDRÁULICOS DE ACCIONAMIENTO MANUAL Veamos que elementos conforman un circuito oleohidráulico elemental de accionamiento manual pero de uso muy común:

SISTEMA BASICO Multipluicador de Fuerzas Hidráulico

SISTEMA CON PALANCA Multiplicador de Fuerzas Mecánico y Multipluicador de Fuerzas Hidráulico

SISTEMA PARA SOSTENER LA CARGA Y DESPLAZARSE EN FORMA CONTINUA Utilizando Válvulas Antiretorno

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SISTEMA CON VALVULA DE DESCARGA Permite el retorno del pistón de simple efecto debido a su propio peso o a una fuerza externa. Este es el esquema típico de una gata hidráulica.

SISTEMA CON VALVULA LIMITADORA DE PRESION Sistema muy frecuente, con válvula limitadora de presión o válvula de seguridad. Se utiliza en prensas, montacargas, etc.

SISTEMA CON BOMBA DE PISTÓN DE DOBLE EFECTO La carga asciende tanto con la carrera de arriba hacia abajo como con la carrera de abajo hacia arriba de la bomba manual.

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SISTEMA HIDRÁULICO, tiene: Bomba de un pistón de accionamiento manual de doble efecto. Válvula de control de máxima presión (válvula limitadora de presión). Válvula de distribución de caudal 4/3 de accionamiento manual y centrado por muelles. Actuador: pistón de doble efecto. Veamos como debe actuar la válvula distribuidora para que salga el pistón:

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HIDRAULICA I Área de Información Técnica Veamos como debe actuar la válvula distribuidora para que entre el pistón:

2. SISTEMA HIDRÁULICO DE ACCIONAMIENTO POR MOTOR ELÉCTRICO Si reemplazamos la bomba de accionamiento manual por una bomba accionada por un motor eléctrico o un motor de combustión interna (motores gasolineros o petroleros) para obtener un “flujo continuo” de caudal tendremos un sistema hidráulico básico como el que se muestra a continuación:

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3. REPRESENTACIÓN DE UN CIRCUITO HIDRÁULICO BÁSICO El circuito mostrado anteriormente (Fig. 4.10) se representa simbólicamente de acuerdo a la norma DIN 1219:

Esquemáticamente (siguiente figura): Con la válvula accionada para que el pistón salga.

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4. PARTES DE UN SISTEMA HIDRÁULICO Un sistema hidráulico tiene las siguientes partes:

BOMBA: Unidad de Transformación de Energía mecánica en Energía de Fluido. La energía mecánica es el movimiento rotacional que entrega el motor eléctrico al eje de la bomba y la energía de fluido básicamente esta constituida por presión y caudal.

CONTROL DE PRESIÓN Y CAUDAL: Constituido en este caso por las válvulas limitadoras de presión y la válvula distribuidora 4/3. La válvula de estrangulamiento y la válvula check.

ACTUADOR: Constituido por el cilindro el cual es un conversor de energía de fluido en energía mecánica (movimiento lineal que desplaza una fuerza, es decir que realiza un trabajo).

5. FLUJO ENERGÉTICO Esta identificación de las partes permite distinguir el flujo energético en un sistema hidráulico: 1. TRANSFORMACIÓN DE ENERGÍA MECÁNICA EN ENERGÍA HIDRÁULICA. 2. CONTROL DE LA ENERGÍA HIDRÁULICA. 3. TRANSFORMACIÓN DE LA ENERGÍA HIDRÁULICA EN ENERGÍA MECÁNICA.

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6. ¿POR QUÉ LOS CAMBIOS ENERGÉTICOS? El cuadro mostrado nos sugiere la siguiente pregunta: ¿Por qué pasar de la energía mecánica en el eje del motor a la energía hidráulica (de fluido) y luego nuevamente a energía mecánica? a) Porque los motores: eléctrico o de combustión interna dan alta velocidad angular pero bajo torque: El motor eléctrico síncrono gira a 3600, 1800, 1200 o 900 rpm El motor de combustión interna gira en ralentí a 500, 800, 1500 rpm Por lo tanto si queremos bajas velocidades y altos torques tenemos tres posibilidades: • Reductor mecánico de velocidades: Cajas mecánicas con engranajes, poleas fajas, etc. • Controlador electrónico de velocidades. • Sistemas hidráulicos. b) Los motores: eléctrico o de combustión interna dan velocidad angular y se requiere velocidades lineales. Para la transformación tenemos: • Rueda dentada, cremallera. • Cadenas, fajas. • Sistemas hidráulicos. En ambos casos los sistemas oleohidráulicos son una buena alternativa considerando las siguientes ventajas: • Flexibilidad mecánica. • Fácil control. • Alta potencia transmitida. Además debemos considerar las ventajas citadas en el capítulo anterior.

7. EFICIENCIA TOTAL DE UN SISTEMA OLEOHIDRÁULICO También debemos considerar que estos cambios energéticos están asociados a una degradación de la energía debido a las pérdidas, manifestadas en forma de calor, cuya cuantificación podemos evaluarla a través de la eficiencia total de un sistema hidráulico.

El uso de bombas de caudal variable ha hecho posible una importante mejora de la eficiencia total del sistema hidráulico. Convencionalmente ha sido del 40 %, pero actualmente se cuenta con sistemas con eficiencias del 60 % al 75 %.

8. POTENCIA ELÉCTRICA, HIDRÁULICA Y MECÁNICA Comúnmente se emplea el término de Potencia como un sinónimo de Energía (Tome en cuenta que la Energía es el producto de la Potencia por el tiempo).

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HIDRAULICA I Área de Información Técnica Es importante conocer su evaluación en cada caso: Si el motor que acciona a la bomba es eléctrico: •

La potencia (eléctrica) que recibe el motor eléctrico (monofásico) esta dado por:

•

Si el motor eléctrico es trifásico, la potencia que recibe esta dado por:

•

Si el motor que acciona a la bomba es de combustión interna:

Luego: La potencia que recibe la bomba es la POTENCIA DEL MOTOR: (Es la potencia mecánica que entrega el motor eléctrico o de combustión interna)

La potencia que entrega la bomba al sistema hidráulico o POTENCIA DE LA BOMBA es:

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9. EFICIENCIAS. DIAGRAMA DE SANKEY Cada parte del sistema presenta un promedio de pérdidas por lo que se puede definir las siguientes eficiencias:

Los valores promedios de éstas eficiencias se encuentran en el siguiente diagrama de SANKEY:

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HIDRAULICA I Área de Información Técnica Ejemplo: Para el siguiente diagrama: 1. Calcular la presión p (bar). 2. Calcular el torque de un motor (N – m)

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Componentes y Circuitos Básicos Unidad V

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“COMPONENTES Y CIRCUITOS BÁSICOS” 1. SISTEMA HIDRÁULICO Los sistemas hidráulicos reciben energía mecánica (generalmente con alta velocidad y bajo torque) y la convierten en energía de fluido y luego nuevamente la transforman en energía mecánica (generalmente con baja velocidad pero alto torque).

2. TIPOS DE SISTEMAS HIDRAULICOS Los sistemas hidráulicos pueden ser hidrostáticos o hidrodinámicos. Los sistemas hidrostáticos convierten la energía mecánica que reciben principalmente a energía de presión, en cambio los sistemas hidrodinámicos convierten la energía mecánica que reciben en energía de velocidad. Se sobreentiende en esta información que ambos sistemas trabajan con aceite; de aquí que existan discrepancias con respecto a los nombres que toman comúnmente y los que realmente deben tener. Así:

NOMBRE COMUN (Sistema que trabaja con aceite)

VERDADERO NOMBRE

1

HIDRAULICA, OLEOHIDRAULICA

OLEOLICA

2

HIDROSTATICA

OLEOESTATICA

3

HIDRODINAMICA

OLEODINAMICA

Dentro de los sistemas hidráulicos que trabajan a presión (sistemas hidrostáticos) tenemos dos tipos: Sistema Hidráulico Abierto. Sistema Hidráulico Cerrado o denominado SISTEMA HIDROSTATICO* SISTEMAS HIDRAULICOS (OLEOLICA)

SISTEMAS HIDRODINAMICOS (OLEODINAMICOS)

SISTEMAS HIDROSTATICOS (OLEOESTATICOS)

SISTEMAS ABIERTOS

SISTEMAS CERRADOS

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HIDRAULICA I Área de Información Técnica Es perceptible la confusión en las terminologías: Todos los sistemas oleohidráulicos que trabajan con altas presiones son básicamente sistemas hidrostáticos, dentro de los cuales hay un sistema cerrado el cual recibe comúnmente en nuestro medio el nombre de sistema hidrostático.

3. SISTEMA HIDRÁULICO ABIERTO Se denomina sistema hidráulico abierto porque el mismo aceite del sistema no re circula, sino existe un tanque del cual se toma y al cual se envía aceite. La bomba toma aceite del tanque y lo envía al actuador, luego el aceite que retorna del actuador es dirigido hacia el tanque nuevamente, de aquí que no se toma el mismo aceite de retorno del actuador hacia la entrada a la bomba, esto constituye un sistema abierto.

Como se analizo anteriormente, para el caso de un cilindro hidráulico, el caudal que ingresa no es el mismo caudal que sale, por ello que no podríamos conectar la salida del actuador a la entrada de la bomba. Además el tanque hidráulico cumple entre otras funciones el almacenar aceite para refrigerarlo y decantar suciedades. La mayor parte de sistemas hidráulicos son abiertos y el sistema típico es el siguiente:

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4. SISTEMAS TÍPICOS Los sistemas hidráulicos abiertos en sus formas más elementales pueden ser para el mando de un cilindro de simple efecto o motor de un solo giro y para el mando de un cilindro de doble efecto o motor de giro en doble sentido. Pero en general cualquier sistema hidráulico tiene tres partes claramente definidas: sistema de conversión de energía mecánica en energía de fluido; control de presión y caudal, actuador. En estas tres partes encontramos frecuentemente a los siguientes elementos: (Fig. 5.4)

1. 2. 3. 4.

Bomba Válvula limitadora de Presión Válvulas distribuidoras Válvula de retención

5. 6. 7. 8.

Válvula de estrangulamiento Cilindro o motor hidráulico Accesorios Instrumentos.

5. MANDO DE UN CILINDRO DE SIMPLE EFECTO En la siguiente figura se muestra un sistema hidráulico típico para el mando de un cilindro de simple efecto. Se denomina cilindro de simple efecto porque solo tiene una sola vía para el fluido, por esta misma vía entra o sale el fluido.

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HIDRAULICA I Área de Información Técnica El pistón del cilindro hidráulico debe salir impulsado por el aceite hidráulico a una presión formada como consecuencia del peso de la carga, en éste caso el peso del automóvil, y debe retornar por el peso de la misma carga cuando el aceite no aplique presión, esto es se haya descargado a tanque. Como se observa el aceite es impulsado por la bomba a través de la válvula distribuidora 3 por la vía P y sale por la vía A, pasa por la válvula check 4 e ingresa al cilindro por la cara del émbolo saliendo el pistón.

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HIDRAULICA I Área de Información Técnica El pistón entra como consecuencia del peso del mismo auto o el propio peso del pistón, para esto el aceite debe descargarse libremente hacia tanque, esto se logra a través de la misma línea, esta vez por la válvula de estrangulamiento 5 para que el retorno no sea violento hacia la vía A de la válvula distribuidora 3, la cual debe estar accionada para que derive el aceite hidráulico de la vía A hacia el tanque T.

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HIDRAULICA I Área de Información Técnica Cuando es necesario detener la carga en un lugar, puede apagarse la bomba, sin accionar la válvula distribuidora, con ello se consigue sostener la carga a través de la válvula check que se encuentra en la salida de la bomba. Con ello se consigue dos cosas: Ahorro de energía. No es necesario consumir energía para sostener la carga. Se puede bajar la carga con la bomba apagada (debe accionarse a la válvula distribuidora 3). Sólo es necesario prender la bomba cuando se desea que la carga suba.

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HIDRAULICA I Área de Información Técnica Si mantiene prendida la bomba a pesar que el pistón ha llegado al final de su carrera entonces abrirá la válvula limitadora de presión 2, ya que la bomba siempre envía caudal y éste tiene que tener un camino de retorno a tanque que en este caso es la válvula limitadora de presión.

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6. MANDO DE UN CILINDRO DE DOBLE EFECTO Un cilindro de doble efecto es aquel que tiene dos vías para el fluido. Por una vía ingresa fluido al cilindro y por otra sale fluido del cilindro. En la figura se muestra un sistema hidráulico típico para el mando de un cilindro de doble efecto. Se puede observar que los elementos utilizados para el mando son similares a los elementos del mando de un cilindro de simple efecto, con excepción de la válvula distribuidora.

En este sistema: Para que el cilindro salga: La bomba impulsa aceite, éste pasa de la vía P hacia la vía A, continua por la válvula de estrangulamiento y se dirige hacia la cara del embolo del pistón, de acuerdo a la resistencia que encuentre se formará presión, la velocidad de salida del pistón dependerá del caudal de aceite que llegue; por la cara del vástago debe salir otra cantidad de aceite la que se dirige hacia la vía B de la válvula distribuidora, al pasar libremente hacia la vía T y luego al tanque a través del filtro. Centro de Investigación y Tecnología Mecánica – ITM

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HIDRAULICA I Área de Información Técnica Para que el cilindro entre:

La bomba impulsa aceite el cual ingresa a la válvula distribuidora por la vía P y sale por la vía B, dirigiéndose a la cara del vástago del cilindro. El aceite de la cara del embolo es desplazado y circula a través de la válvula check sin restricción hacia la vía A de la válvula distribuidora dirigiéndose a la vía T, luego al filtro y de allí al tanque. En conclusión los sistemas hidráulicos abiertos son característicos para el mando de un cilindro de simple o doble efecto, además también son utilizados para mandar un motor hidráulico de giro de un solo sentido o motores de giro en doble sentido, las partes se mantienen y solo hay diferencia en los tipos de válvulas a utilizar. (Fig. 5.11 y Fig. 5.12)

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HIDRAULICA I Área de Información Técnica SISTEMA HIDRÁULICO PARA EL MANDO DE UN MOTOR DE GIRO EN UN SOLO SENTIDO

SISTEMA HIDRAULICO PARA EL MANDO DE UN MOTOR DE GIRO EN LOS DOS SENTIDOS

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HIDRAULICA I Área de Información Técnica La mayor parte de los sistemas hidráulicos son sistemas hidráulicos abiertos. Aquí se muestra una aplicación en una máquina inyectora. Una máquina inyectora es una máquina que toma pelets de material sintético y los calienta a la vez que los traslada a través de un tornillo para inyectarlo en un momento con gran fuerza sobre un molde realizando un conformado en caliente, de un objeto de plástico como por ejemplo un balde.

7. SISTEMA HIDRÁULICO CERRADO También denominado comúnmente SISTEMA HIDROSTÁTICO. Se denomina sistema hidráulico cerrado porque el mismo aceite del sistema recircula, esto es la bomba toma aceite de retorno del motor hidráulico y lo envía nuevamente hacia el motor esto constituye un sistema cerrado. Los sistemas hidrostáticos sólo son posibles con actuadores que tomen y entreguen el mismo caudal, como el caso de un motor hidráulico o de un cilindro de doble vástago.

El tanque hidráulico existe realmente en un sistema auxiliar del sistema hidrostático, para cumplir con las funciones de refrigeración y limpieza, pero no tendrá las dimensiones de un sistema abierto. Los sistemas hidrostáticos también tienen su sistema de limitación de presión así como de regulación de velocidad a través de la regulación del caudal que envía la bomba a pesar que gira a la misma velocidad, de aquí que se utilicen bombas de caudal variable. Los sistemas hidrostáticos tienen mucha aplicación en los sistemas donde se necesiten altos torques y bajas velocidades como el sistema de desplazamiento a orugas de una maquinaria pesada como se muestra en el ejemplo de la Fig. 5.15. (Esta retroexcavadora tiene sistemas hidráulicos abiertos para el mando de los pistones mostrados y un sistema cerrado para el desplazamiento de la oruga). En particular a este tipo de circuito se analizarán en detalle en temas posteriores.

8. COLORES NORMALIZADOS DE PRESIÓN Es importante que pueda reconocer las zonas de presión y descarga del aceite, ya que es una forma eficiente de ubicarse en los diagramas hidráulicos. Se debe colorear principalmente las zonas de presión y zonas de descarga de los sistemas, para esto existe un código de colores dentro del cuál resalta básicamente los colores rojo y celeste o azul. Centro de Investigación y Tecnología Mecánica – ITM

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HIDRAULICA I Área de Información Técnica La zona de presión esta constituida por el aceite que se encuentra entre la salida de la bomba, y la entrada P de la válvula distribuidora, ésta se pintará de color rojo. La zona de descarga estará constituida por la línea T de salida del aceite de la válvula distribuidora T hacia el tanque, ésta se pintará de color celeste o azul. Las líneas A y B que se dirigen hacia el actuador podemos identificarles con color naranja por ejemplo. También se colorea la salida de la válvula limitadora de presión hacia el tanque con color azul o celeste, ya que es una zona de descarga. La zona de succión de la bomba (zona del tanque hasta la entrada de la bomba) es una zona de baja presión e inclusive de depresión (menor presión que la presión atmosférica), pero también podemos representarla con color azul o celeste. La información hidráulica más completa es la que dispone de colores en sus diferentes zonas y se pueden utilizar la siguiente equivalencia:

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Bomba Oleohidráulica Unidad VI

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“BOMBA OLEOHIDRÁULICA” 1. DEFINICIÓN La bomba hidráulica, se encarga de trasformar la energía mecánica proveniente del equipo de accionamiento (motor eléctrico o de combustión interna o simplemente accionamiento manual) en energía de fluido (presión y caudal). Realmente la bomba impulsa al fluido, esto es: “La bomba da caudal” La presión se forma como consecuencia de la resistencia que encuentra el fluido.

2. SIMBOLOGÍA Símbolos normalizados:

3. PARÁMETROS DE LA BOMBA Las bombas tienen los siguientes parámetros:

3.1. VOLUMEN DESPLAZADO O DE EXPULSIÓN El volumen desplazado o desplazamiento volumétrico D.V. es un parámetro que indica el tamaño de la bomba. Se refiere al volumen del fluido que es transportado por la bomba en cada giro o carrera. Este caudal es el resultado de la multiplicación del desplazamiento volumétrico por el número de revoluciones por minuto n.

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3.2. REVOLUCIONES Las revoluciones de una bomba son un criterio importante de selección, ya que el caudal de transporte es determinado por las revoluciones n. Muchas bombas no deben rebasar ciertos márgenes de revoluciones. El régimen de revoluciones más frecuente para la maquinaria estacionaria es de n = 1800 min -1, ya que suelen ser accionadas por motores síncronos de corriente trifásica que dependen de la frecuencia de la red eléctrica. El régimen de revoluciones para la maquinaria móvil en cambio es amplio (800 a 5000 rpm) tomándose como referencia de diseño a 1500 rpm.

3.3. EFICIENCIA Las bombas transforman la energía mecánica en energía hidráulica y en ese proceso se producen pérdidas expresadas mediante el grado de eficiencia. EFICIENCIA VOLUMÉTRICA (NV) Es la relación entre el caudal real que impulsa la bomba con respecto al caudal teórico determinado por el producto del Desplazamiento Volumétrico por el número de RPM.

EFICIENCIA HIDRÁULICA - MECÁNICA (Nhm) Es la relación entre la energía mecánica que entrega la bomba con respecto a la energía mecánica que recibe.

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HIDRAULICA I Área de Información Técnica EFICIENCIA TOTAL (N) El grado de eficiencia total de una bomba se calcula multiplicando la eficiencia volumétrica (NV) y la eficiencia hidráulico-mecánica (Nhm).

En general la eficiencia total de una bomba oleohidráulica oscila entre el 80% al 90%.

4. CURVA CARACTERÍSTICA DE LA BOMBA La curva característica de una bomba es la representación del caudal que envía la bomba en función de la presión. La curva característica de una bomba de caudal constante presenta una pequeña caída de caudal en función del aumento de la presión. Esta caída de caudal es normal si se encuentra entre el 7 y 13 % del caudal nominal y se debe a fugas internas necesarias para la lubricación de la bomba. La curva característica de una bomba ofrece las siguientes informaciones: Si p = 0, la bomba rinde un caudal Q Si p > 0, Q se mantiene prácticamente constante Para una alta presión Q comienza a disminuir. La presión máxima que alcance la bomba estará dada por la presión que se logra cuando el caudal ha caído como máximo en 13 % (en la practica puede evaluarse en 10 %) La curva también es un equivalente del grado de eficiencia volumétrica de la bomba. La figura muestra las curvas características de una bomba nueva y de una bomba desgastada (averiada). También se muestra una zona a la cuál no debería trabajar la bomba bajo ningún motivo ya que la deterioraría gravemente:

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4.1. INSTALACIÓN PARA OBTENER LA CURVA DE LA BOMBA Un banco de pruebas nos permite obtener la curva Q vs. p de una bomba constituyéndose en la mejor manera de determinar cual es el caudal nominal y la presión máxima de la bomba, comprobándose el estado real de la bomba.

Ejemplo: En la curva Q vs. p mostrada:

Ello significa que la curva característica de la bomba permite obtener informaciones sobre el grado de eficiencia volumétrica de una bomba. Centro de Investigación y Tecnología Mecánica – ITM

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5. CLASIFICACIÓN Las bombas hidráulicas pueden clasificarse en dos tipos básicos aplicando el criterio de volumen de expulsión. Bombas de DESPLAZAMIENTO VOLUMETRICO CONSTANTE. Bombas de DESPLAZAMIENTO VOLUMETRICO REGULABLE O AJUSTABLE.

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HIDRAULICA I Área de Información Técnica CARACTERÍSTICAS TIPO DE BOMBA

RPM (1/min)

BOMBA DE ENGRANAJES EXTERIORES

500 3500

BOMBA DE ENGRANAJES INTERIORES

500 3500

BOMBA DE TORNILLOS

D.V. ( cm 3 )

P ( bar )

%

PRECI O

RUID O

40 – 160

80 – 90

1

3

4 - 250 CTE.

160 250

0,8 – 0,9

2

1

500 – 4000

4 - 650 CTE.

25 - 160

70 – 85

3

1

BOMBA DE PISTONES AXIALES DE PLATO INCLINADO

750 3000

25 – 800 VARIABLE

160 250

82% - 92%

3

3

BOMBA DE ALETAS

900 3000

100 160

80 - 90

1

1

BOMBA DE PISTONES AXIALES DE EJE INCLINADO

750 3000

25 – 800 VARIABLE

160 250

82 - 92

3

3

BOMBA DE PISTONES RADIALES

900 -3000

5 - 160

160 320

90

2

2

1,2 – 250 CTE.

5 – 160 VARIABLE

Existen otras características que son importantes para elegir una bomba: Caudal Presión Nivel de ruidos Precio Analizaremos brevemente las características de la bomba de engranajes, por ser la bomba que con mayor frecuencia encontramos en la industria.

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6. BOMBA DE ENGRANAJES Las bombas de engranajes son bombas de desplazamiento volumétrico constante, las más comunes, y la que soporta un mayor nivel de suciedad en el fluido.

Una de las ruedas dentadas está conectada al motor; la otra gira por efecto del engranaje con la primera rueda. En la cámara de aspiración se produce una depresión a raíz del aumento del volumen causado en el momento que el diente sale de su asiento en el engranaje. El aceite fluya de la línea T a las cámaras entre diente y diente del engranaje y es transportado a lo largo de la pared exterior hacia la zona de alta presión. Aquí el aceite es expulsado hacia la línea P cuando los dientes se unen. La cámara de aspiración es más grande que la cámara de expulsión.

El objetivo es tener mayor presión y evitar que se forme excesivo vacío que produzcan la vaporización del aceite y que en la línea de alta presión estos vapores explosionen produciendo un arrancamiento metálico de la bomba, ruido y vibración, fenómeno conocido como CAVITACIÓN de la bomba. Centro de Investigación y Tecnología Mecánica – ITM

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HIDRAULICA I Área de Información Técnica En la cámara de alta presión tendremos la acción de fuerzas distribuidas actuando sobre los engranajes produciendo mayores esfuerzos en la línea de acción de estas fuerzas con respecto a los ejes y también al contacto entre dientes y la zona de succión donde se puede visualizar el efecto de desgaste por presión.

En los espacios comprendidos entre un diente de un engranaje y la parte interna del diente del otro engranaje el aceite es encerrado y sería comprimido produciendo ruido y vibración, por lo que este aceite debe ser transportado hacia la cámara de aspiración o la de descarga a través de unas ranuras en las gemelas de las partes laterales.

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HIDRAULICA I Área de Información Técnica En el caso de las chumaceras se lubrica con el aceite de la zona de baja presión y en el caso de las partes laterales de los engranajes se lubrica con el aceite de la zona de alta presión Como se ha indicado anteriormente las bombas tienen pérdidas volumétricas las cuales se dan por el caudal que retorna de la cámara de presión a la cámara de succión a través de los dientes en contacto de los dos engranajes y también por la luz de los costados de los engranajes con las gemelas. En los rangos apropiados estas pérdidas lubrican las partes en contacto como las chumaceras y las gemelas, pero excesivamente producen una alta ineficiencia de la bomba por las pérdidas volumétricas que ocasionan.

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Válvula Limitadora de Presión Unidad VII

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“VÁLVULA LIMITADORA DE PRESIÓN” 1. DEFINICIÓN La válvula limitadora de presión limita la presión máxima del sistema. También se le denomina válvula de seguridad o válvula RELIEF.

1.1. REPRESENTACIÓN En general una válvula limitadora de presión se representa:

1.2. CLASIFICACIÓN •

POR EL CAUDAL Válvula limitadora de presión de mando directo Válvula limitadora de presión de mando indirecto o pilotada

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POR SU CONSTRUCCIÓN Válvula limitadora de presión de cierre. Válvula limitadora de presión de corredera.

1.3. REGULACIÓN La válvula limitadora de presión se regula con la ayuda de un manómetro cerrando todos los caminos alternativos al paso del aceite, haciendo que todo el aceite que envía la bomba pase por la limitadora de presión.

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1.4 FUNCIONAMIENTO Estas válvulas permiten ajustar y limitar la presión en un sistema hidráulico. La presión p aplicada sobre el área A genera una fuerza F = p.A la que se compara en el elemento de cierre con la fuerza del muelle.

Si la fuerza generada por la presión es menor que la fuerza del muelle la válvula permanecerá cerrada Cuando la fuerza de la presión de entrada se iguala a la fuerza del muelle, la válvula empieza a abrir. A esta presión de la denomina: PRESIÓN DE APERTURA DE LA VÁLVULA, Entonces una parte del caudal fluye hacia el depósito. Si la presión de entrada continúa subiendo, aumenta la fuerza de la presión y también aumenta la fuerza de del muelle hasta que la totalidad del caudal de transporte fluya hacia el depósito. La presión en la que sucede esto se la denomina: PRESIÓN DE REGULACIÓN DE LA VÁLVULA. Siendo este el valor máximo de presión del sistema.

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HIDRAULICA I Área de Información Técnica La presión de apertura de las válvulas limitadoras de presión de mando directo comúnmente está 10 a 20 bares por debajo de la presión de regulación. La presión de apertura de las válvulas limitadoras de presión de mando indirecto está 5 a 10 bares por debajo de la presión de regulación. Las resistencias en las salidas (tubería hacia el depósito, filtro de retroceso etc.) actúan sobre la superficie A2. La fuerza generada por estas resistencias tiene que sumarse a la fuerza del muelle. A la presión originada por todas estas resistencias se denomina CONTRAPRESIÓN. Para evitar oscilaciones causadas por la presión, las válvulas limitadoras de presión frecuentemente están provistas de émbolos de amortiguación y de elementos de estrangulamiento. El sistema de amortiguación tiene los siguientes resultados: • •

Apertura rápida de la válvula Cierre lento de la válvula

Esta amortiguación tiene la finalidad de evitar daños causados por golpes de presión (puesto que la válvula trabaja de modo suave).

1.5 CONTRAPRESIÓN Es presión que se opone a la acción de un elemento. Por efecto de la resistencia que presentan todos los elementos que se ubican en la línea de retorno a tanque se genera una contrapresión. Esta contrapresión puede ser positiva o negativa para el sistema, pero consume energía que se manifiesta en caída de presión y disipación de calor. Este concepto nos explica que sucede en el elemento de cierre de una válvula limitadora de presión de mando directo cuando se genera contrapresión como consecuencia que el fluido tiene que vencer la resistencia que le ofrecen las tuberías, las mangueras, los codos, los filtros, además de los dobleces, las formas, el tipo de flujo, etc. Centro de Investigación y Tecnología Mecánica – ITM

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Aplicación: ¿Determinar la presión máxima que puede alcanzar el sistema si solo el muelle de la válvula limitadora de presión ofrece una resistencia de 100 kg que aplicada sobre un área de 1 cm 2 equivale a 100 bares?

La presión p en la entrada a la válvula limitadora de presión deberá de ser tal, que venza a la fuerza del muelle y la fuerza que hace la contrapresión de 20 bares sobre el área de 1 cm 2 del elemento de cierre, esto es 20 kg luego: p = 120 bares ¡Observe que se ha establecido la suma de fuerzas, más no de presiones!

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1.6 DESCARGA DE PRESIÓN La descarga de presión es la liberación del fluido a tanque a través de un camino alternativo al que le presenta la válvula limitadora de presión, utilizando el criterio que el fluido se dirige por el camino que menor resistencia le ofrece. En el siguiente diagrama se muestra como se puede descargar de presión a un sistema accionando a una válvula de apertura – cierre sin tener que aperturar la válvula limitadora de presión la cual está regulada a 100 bar.

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Válvulas Distribuidoras Unidad VIII

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“VÁLVULAS DISTRIBUIDORAS” 1. DEFINICIÓN Las válvulas distribuidoras o válvulas de vías son elementos que abren o cierran o modifican los pasos del flujo en sistemas hidráulicos. Estas válvulas permiten controlar la dirección del movimiento y la parada de los elementos de trabajo.

2. REPRESENTACIÓN Los símbolos de las válvulas de vías están definidos por la norma DIN ISO 1219. Se aplican los siguientes criterios: Las válvulas distribuidoras se simbolizan mediante varios cuadrados concatenados. Cada cuadrado representa una posición. Los conductos se representan por líneas y las direcciones por flechas. La válvula se dibuja en su posición normal, es decir aquella que asume la válvula cuando se retira la fuerza de accionamiento. Los cierres se representan mediante barras transversales en el interior de los cuadrados. Los símbolos indican solo las funciones de las válvulas sin tener en cuenta los diferentes tipos de construcción El criterio que se toma es el de un caño de agua:

1. Los empalmes o vías sólo se relacionan con la posición cero. 2. Los empalmes o vías se representan mediante una letra mayúscula: P T, R, Y A, B

Entrada, presión Tanque Conductos hacia los actuadores pistones o cilindros. Centro de Investigación y Tecnología Mecánica – ITM

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VÁLVULA EN SU POSICIÓN NORMAL REPRESENTACIÓN: VÁLVULA DISTRIBUIDORA DE 2 VÍAS (P, A) DE 2 POSICIONES (2 CAJONES) NORMALMENTE CERRADA RETORNO POR MUELLE.

VÁLVULA ACCIONADA ES LA VÁLVULA ANTERIOR QUE MUESTRA ACCIONADA ASÍ NO REPRESENTA Y ESTA POSICIÓN SÓLO LA DEBE IMAGINAR OBSERVE ACCIONAMIENTO Y EL MUELLE PARA RETORNO.

SE SE SE EL EL

3. CLASIFICACIÓN Las válvulas distribuidoras se clasifican:

3.1 DE ACUERDO A SU CONSTRUCCIÓN • Válvulas de cierre • Válvulas de corredera

VÁLVULA DISTRIBUIDORA DE 2 VÍAS Y 2 POSICIONES (2/2) DE CIERRE Centro de Investigación y Tecnología Mecánica – ITM

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VÁLVULA 2/2 DE CORREDERA

CARACTERÍSTICAS: Las válvulas de cierre tienen las siguientes características Son estancas. Es decir no permiten fugas de fluido. Necesitan gran fuerza de accionamiento ya que se debe vencer a la fuerza de la presión para aperturar la válvula. Son limitadas en el número de sus vías. Las válvulas de corredera tienen las siguientes características: Tienen un spool o carrete o corredera el que se desplazará dentro del cuerpo de la válvula. Necesitan poca fuerza de accionamiento Es posible tener muchas vías. No son estancas, esto es existe una pequeña fuga de fluido a través de la corredera, la que depende de la viscosidad del aceite utilizado y de la temperatura.

3.2 DE ACUERDO AL NÚMERO DE VÍAS Y POSICIONES Las más comunes utilizadas en oleohidráulica son: Válvula 2/2 (2 vías, 2 posiciones). Válvula 3/2 (3 vías, 2 posiciones). Válvula 4/2 (4 vías, 2 posiciones). Válvula 4/3 (4 vías, 3 posiciones). Válvula 6/3 (6 vías, 3 posiciones). Válvula 6/4 (6 vías, 4 posiciones). Además en neumática es muy utilizada: Válvula 5/2 ( 5 vías, 2 posiciones ) Tome en cuenta que la representación es una sola y que en ella se muestran las posiciones que tiene la válvula indicándose en cada posición las comunicaciones y direcciones entre las vías.

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HIDRAULICA I Área de Información Técnica Las flechas indican la dirección que debe seguir el fluido; son solo convencionales debido a que realmente hay comunicación física entre las vías y no unidireccionalidad. Esto es importante cuando se tiene que comprobar el buen funcionamiento de la válvula al aplicar por ejemplo aire comprimido a las vías de la válvula y comprobar justamente esta comunicación entre las vías. A continuación se muestran algunas válvulas distribuidoras de corredera en su posición normal y en su posición accionada.

VÁLVULA DISTRIBUIDORA 3/2 NORMALMENTE ABIERTA, ACCIONAMIENTO MANUAL, RETORNO POR MUELLE

VÁLVULA DISTRIBUIDORA 4/2 ACCIONAMIENTO MANUAL, RETORNO POR MUELLE

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HIDRAULICA I Área de Información Técnica Las válvulas 4/2 y 4/3 son las más usadas en sistemas hidráulicos y pueden tener diversas posiciones centrales. Observe que es posible intercambiar la corredera dando origen a una válvula distribuidora con otra posición central La siguiente figura muestra como se obtienen las diversas posiciones en una válvula 4/3 de Centro Bloqueado.

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HIDRAULICA I Área de Información Técnica Se muestra la misma carcasa o cuerpo de válvula anterior con otra corredera obteniéndose una válvula distribuidora 4 / 3 con posición central de unión entre P, A, y B.

Las posibilidades de la posición central de las válvulas 4/3 se muestran a continuación: Centro de Investigación y Tecnología Mecánica – ITM

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3.3 DE ACUERDO AL DESPLAZAMIENTO DE LA CORREDERA Las válvulas distribuidoras pueden ser: Válvulas de desplazamiento continuo Estas válvulas tienen dos posiciones finales y una cantidad ilimitada de posiciones intermedias con diferentes características de estrangulamiento. Por ejemplo válvulas accionadas por joystick; válvulas proporcionales; servoválvulas. Válvulas de desplazamiento digital Estas válvulas siempre tienen una cantidad definida de posiciones (2, 3, 4…). Por ejemplo: Válvulas con enclavamiento; electroválvulas.

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4. ACCIONAMIENTOS Centro de Investigación y Tecnología Mecánica – ITM

HIDRAULICA I Área de Información Técnica Las válvulas distribuidoras pueden tener los diversos tipos de accionamientos:

ACCIONAMIENTO MANUAL

GENERAL

POR PULSADOR

POR PALANCA

POR PULSADOR

ACCIONAMIENTO MECANICO

POR PALPADOR

POR RESORTE

POR RODILLO

CON ENCLAVAMIENTO

ACCIONAMIENTO ELECTRICO POR SOLENOIDE (UN SOLO BOBINADO)

SOLENOIDE DE ACCIONAMIENTO VARIABLE (PROPORCIONAL)

POR SOLENOIDE (DOS BOBINADOS)

ACCIONAMIENTO POR SEÑAL POR SEÑAL DE PRESION, ACCIONAMIENTO DIRECTO

POR SEÑAL DE PRESION, ACCIONAMIENTO INDIRECTO

POR SEÑAL NEUMATICA, ACCIONAMIENTO DIRECTO

POR DEPRESION O SUCCION HIDRAULCA

POR CANAL INTERIOR DE CONTROL, EL CANAL SE ENCUENTRA DENTRO DE LA UNIDAD

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Otras representaciones: Centro de Investigación y Tecnología Mecánica – ITM

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ACTUADOR COMPUESTO Y SÓLO SI EXISTEN DOS SEÑALES (NEUMÁTICAS) PROVOCAN LA PERACIÓN DEL DISPOSITIVO

ACTUADOR COMPUESTO O SI EXISTEN CUALQUIERA DE DOS SEÑALES (MANUAL O ELÉCTRICA) PROVOCAN LA OPERACIÓN DEL DISPOSITIVO ACTUADOR COMPUESTO O SI EXISTEN CUALQUIERA DE DOS SEÑALES (MANUAL O ELÉCTRICA QUE ACCIONA A UN PILOTO HIDRÁULICO) PROVOCAN LA OPERACIÓN DEL DISPOSITIVO

ACTUADOR COMPUESTO SI EXISTEN CUALQUIERA DE DOS SEÑALES (MANUAL O ELÉCTRICA QUE ACCIONAN A UN PILOTO HIDRÁULICO) PROVOCAN LA OPERACIÓN DEL DISPOSITIVO

ACCIONAMIENTO POR TARJETA ELECTRÓNICA CONTIENE LA REPRESENTACIÓN PARA LA ENTRADA DE ENERGÍA, ENTRADA DEL MANDO Y SALIDA RESULTANTE

La representación de estos accionamientos está de acuerdo a la norma ISO 1219.

5. MANDO DE UN CILINDRO DE SIMPLE EFECTO Para mandar a un cilindro de simple efecto (cilindro que solo tiene una entrada) como el que se muestra en la figura debe entrar aceite al cilindro para que el pistón salga y para que vuelva a entrar debe descargarse el aceite a tanque. Esto se puede lograr primigeniamente con la acción de una válvula distribuidora 2 / 2 de tal manera que cuando se prenda la bomba el pistón salga y cuando se accione a la válvula la bomba y el pistón descarguen a través de la válvula. Este circuito tiene la limitación que el cilindro acciona inmediatamente cuando se prende la bomba. Realmente el circuito de mando para un cilindro de simple efecto considera trabajar con una válvula distribuidora 3/2. En la figura el cilindro de simple efecto es mandado por una válvula distribuidora 3/2 normalmente cerrada. Cuando se energiza la bomba, se forma la máxima presión del sistema que regula la válvula limitadora de presión.

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HIDRAULICA I Área de Información Técnica Cuando se energiza la válvula distribuidora 3/2 el aceite que envía la bomba se dirige hacia el pistón del cilindro el cual sale, la presión que se forma en ese momento dependerá de la carga del pistón. Cuando llegue al final de la carrera se formará la máxima presión. Cuando se desee que ingrese el pistón sé desenergiza la válvula distribuidora con lo que el aceite que se encuentra en la cara del embolo del pistón se descarga a tanque, retornando el pistón por efecto de la carga que sostiene.

6. MANDO DE UN CILINDRO DE DOBLE EFECTO Para mandar a un cilindro de doble efecto es necesario como mínimo una válvula 4/2 como se muestra en la figura. Con una válvula 4/2 el pistón solo sale o entra, mas no puede detenerse a mitad de carrera

Con una válvula 4/3, se puede manda al pistón a salir, entrar y de acuerdo a la posición central que tenga la válvula distribuidora: Centro de Investigación y Tecnología Mecánica – ITM

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HIDRAULICA I Área de Información Técnica Posicionar al pistón en cualquier lugar de su carrera y descargar la línea de presión (centro en descarga de P a T; A y B bloqueados). (1) Posicionar al pistón en cualquier lugar de su carrera con bloqueo de todas las líneas (P, T, A y B bloqueados). (2) Posicionar al pistón en cualquier lugar de su carrera y poder accionar externamente al pistón (centro unido A, B, y T). (3) Posicionar al pistón en cualquier lugar de su carrera y poder accionar externamente al pistón y descargar la línea de presión (centro unido P, A, B, y T). (4) Entre otras posibilidades de mando cuya característica principal radica en la posición de la válvula distribuidora, ya que comúnmente las posiciones extremas de las válvulas serán las mismas.

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7. TAMAÑOS NOMINALES DE LAS VÁLVULAS DISTRIBUIDORAS De acuerdo al país de origen (americanas europeas) las válvulas distribuidoras se dimensionan en su tamaño (sinónimo de caudal) AMERICANAS: Por el diámetro de su conexión: 3/8”, 1/4“, 1/2“, 3/8“, 1”, 1 - 1/4“. EUROPEAS: Por el diámetro (expresado en mm) de la vía: Se antepone el término TN (Tamaño Nominal) TN 4, TN 6, TN 8, TN 10, TN 16, TN 25, TN 36, TN El término TN es en castellano, en inglés es ND y en el alemán NG.

8. VÁLVULAS DISTRIBUIDORAS PILOTADAS HIDRÁULICAMENTE Cuando las válvulas distribuidoras son de gran tamaño (Tamaños nominales TN 10 ) necesitan de mayor fuerza para su accionamiento. Deberían tener elementos de accionamiento muy grandes, lo que realmente no sucede. Para ello los accionamientos tradicionales accionan a una válvula intermedia como por ejemplo una válvula distribuidora la que a su vez acciona hidráulicamente a la válvula principal. A esta válvula intermedia se la conoce con el nombre de válvula piloto. La válvula distribuidora pilotada hidráulicamente tiene realmente dos válvulas: La válvula piloto que en este caso se encuentra en la parte superior y que es una válvula distribuidora accionada eléctricamente con centro unido en A, B, Y para que pueda centrarse apropiadamente la corredera de la válvula principal lo que se logra al descargar completamente las líneas A y B. La válvula principal que se encuentra en la parte inferior y que es una válvula distribuidora accionada hidráulicamente y que en este caso tiene centro bloqueado. Centro de Investigación y Tecnología Mecánica – ITM

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Observe en la válvula piloto que las líneas X e Y son los equivalentes a P y T. Un tapón separa a estas líneas de P y T para que exista la posibilidad de alimentación con otra presión al sistema piloto y su línea de descarga Y sea independiente y que descargue directamente a tanque. Comúnmente la línea X se alimenta de la misma presión del sistema en cambio la línea Y no va unida a la línea T descargando independientemente a tanque para evitar la contrapresión que pueda tener esta línea.

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9. VÁLVULAS DISTRIBUIDORAS UTILIZADAS EN MAQUINARIA PESADA En maquinaria pesada comúnmente se utilizan válvulas de 6 vías con las siguientes características: La línea p siempre está descargada a través a la línea T. Comúnmente en la línea p hay válvulas check que protegen a la bomba de las sobrepresiones. Las posiciones centrales y laterales son las mismas que las válvulas 4/3.

Estas válvulas van ensambladas en paquetes, donde se incluye inclusive la válvula limitadora de presión. Estos paquetes pueden a su vez tener dos tipos de ensambles: Serie. Paralelo.

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HIDRAULICA I Área de Información Técnica En un paquete de válvulas distribuidoras conectadas en paralelo los actuadores conectados a las líneas A y B se pueden accionar independientemente y su movimiento solo dependerá de la carga que soporten. Así si se accionan dos válvulas a la vez se moverá el actuador que menos carga tenga. En un paquete de válvulas distribuidoras conectadas en serie predominará la acción de las válvulas más cercanas a la bomba, así si se accionan las válvulas 1 y 2, la acción de la válvula 1 eliminará la acción de la válvula 2, es decir la válvula 2 no tendrá alimentación de la línea P.

10. APLICACIONES HIDRÁULICOS

DE

VÁLVULAS

DISTRIBUIDORAS

10.1 SISTEMAS HIDRÁULICOS PARA EL LEVANTE Y LLANTAS DE MAQUINARIA MÓVIL

EN

SISTEMAS

POSICIONAMIENTO DE

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10.2 SISTEMAS HIDRÁULICOS PARA EL ACCIONAMIENTO DE UN BRAZO MECÁNICO

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10.3 SISTEMA HIDRÁULICO PARA EL CONTROL DE UN CILINDRO DE DOBLE EFECTO CON DOS VELOCIDADES DE SALIDAS Y UNA DE RETORNO

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Válvulas de Retención Unidad IX

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“VÁLVULA DE RETENCIÓN” 1. DEFINICIÓN La válvula de retención o válvula check permite el paso del fluido en un sentido y no en sentido contrario.

2. REPRESENTACIÓN

3. ESTRUCTURAS La válvula de retención tiene un elemento de cierre, un asiento, un muelle o resorte y una carcasa.

A continuación se muestra diversas estructuras de válvulas check. Dibujar la representación correspondiente.

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4. APLICACIONES Las válvulas check pueden tener muchas aplicaciones entre las cuales se cuentan: 1. 2. 3. 4. 5.

Protección de la bomba. Trabajan con válvulas de estrangulamiento para controlar el caudal. Direcciona el fluido. Válvula de vacío o anticavitación. Camino alternativo al paso del aceite cuando se satura el colador de entrada de la bomba. 6. Camino alternativo al paso del aceite cuando se satura el filtro de aceite del sistema hidráulico. 7. Puente de válvula check para permitir el paso de aceite en un solo sentido a través de una válvula reguladora de caudal. 8. Permiten entrar o restringir el paso de aceite de uno a otro sistema.

5. CLASIFICACIÓN Las válvulas de retención pueden ser: Simples Pilotadas hidráulicamente A su vez las válvulas de retención pilotadas hidráulicamente pueden ser: Pilotadas hidráulicamente para el bloqueo. Pilotadas hidráulicamente para el desbloqueo. Representación:

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6. VÁLVULA CHECK PILOTADA HIDRÁULICAMENTE PARA EL DESBLOQUEO 6.1. REPRESENTACIÓN

6.2. FUNCIONAMIENTO La válvula check pilotada hidráulicamente para el desbloqueo permite el paso de aceite en sentido normal y no pasa el aceite en sentido contrario, pero cuando se aplica presión piloto a través de la línea X entonces el aceite puede fluir en sentido contrario.

6.3. APLICACIONES El objeto de una válvula check desbloqueable hidráulicamente es retener un pistón sometido a presión. En una primera instancia se puede suponer que una carga puede sostenerse con una válvula distribuidora con centro bloqueado. Lo cierto es que las válvulas distribuidoras son en su mayoría de corredera y no permiten una estanqueidad total debido a las fugas naturales que se dan precisamente a través del juego entre la corredera y el cuerpo de la válvula. Esto se evidenciaría en que el pistón sujeto a una carga por un periodo de tiempo comenzará a deslizarse, a pesar que la válvula distribuidora está bloqueada; visto desde la perspectiva solo de un plano hidráulico aparentemente esto no sucedería.

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Por lo tanto es importante utilizar una válvula de cierre que nos permita sostener indefinidamente una carga, sin que esta se deslice. De aquí que se utilice una válvula check desbloqueable hidráulicamente. En la siguiente figura se muestra a un pistón sosteniendo la carga m. El efecto de la presión M 2 generada por esta carga se circunscribe al pistón (cara del vástago) y la válvula check pilotada hidráulicamente para el desbloqueo. Si se acciona la válvula distribuidora a la posición b el vástago sube ya que el fluido pasa normalmente por la válvula check M 1 = M 2. Si se acciona solo la válvula distribuidora 4 / 3 a la posición a el pistón no baja. La carga baja cuando se acciona a la vez la válvula 3 / 2 a la posición a y la válvula 4 / 3 a la posición a. Si accionamos la válvula 4 / 3 a la posición central la carga es sostenida por la válvula check indefinidamente.

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En el diagrama se observa: La posición central de la válvula distribuidora esta unida la línea A, B a T lo que garantiza que la válvula check cierre rápidamente. Se ha colocado una válvula de estrangulamiento en la línea A para crear presión en la línea P de la cual se alimenta la válvula distribuidora 3 / 2 que pilotea la línea X. Cuando baja la carga lo hace por efecto de su propio peso y no por presión, de aquí que sin el estrangulamiento no se forme presión necesaria. Si no se coloca ésta válvula es posible que la carga baje de una manera muy irregular.

6.4. ESTRUCTURA La siguiente figura nos muestra la estructura de una válvula check pilotada hidráulicamente para el desbloqueo. Esta compuesta de: 1. Cono de cierre pequeño 2. Elemento de cierre principal 3. Muelle o resorte. 4. Embolo buzo. 5. Vástago buzo. 6. Carcasa. 7. Línea de pilotaje. 8. Línea de drenaje. 9. Línea A. 10. Línea B.

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El aceite puede pasar de A hacia B, solo tiene que vencer la fuerza del muelle. Para ello necesita una presión de 0,3 bares a 3 bares comúnmente. A estos muelles se les denomina de posicionamiento y presentan poca resistencia de tal manera que se pueden comprimir manualmente. El aceite no puede pasar de B hacia A, debido a que la presión del mismo actuando sobre la cara del muelle genera una fuerza que asienta aún más el elemento de cierre. Cuando se aplica una presión por la línea X (incluso menor que la existente en la línea B) esta se aplica sobre la cara del embolo el que tiene una relación entre 3 a 5 veces mayor el área del pequeño cono que hace cierre. Por lo tanto la fuerza existente en este embolo es de 3 a 5 veces la fuerza con que se está cerrando el pequeño cono de cierre y lo levanta fácilmente.

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HIDRAULICA I Área de Información Técnica Si se necesita presión en la línea piloto para que abra la válvula check y permita que la carga baje entonces es posible tomar automáticamente presión de la línea B sin tener necesidad de utilizar la válvula distribuidora 3 / 2 tal como se muestra en la figura.

7. DOBLE CHECK PILOTADA HIDRÁULICAMENTE PARA EL DESBLOQUEO 7.1. REPRESENTACIÓN

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7.2. FUNCIONAMIENTO La válvula doble check trabaja como la unión de dos válvulas check pilotadas hidráulicamente para el desbloqueo, de tal manera que una válvula check permite el paso normal de aceite y la otra válvula se descarga por la acción de la presión en la primera línea que pilotea a la segunda válvula para que abra en sentido contrario.

Por ejemplo: El aceite pasa de A hacia C porque esta primera check abre normalmente en este sentido, y el aceite puede pasar de D hacia B ya que esta check si bien no conduce en este sentido es aperturada hidráulicamente por la presión en la línea AC ya que ésta actúa sobre la cara opuesta del embolo buzo.

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7.3. APLICACIONES La válvula doble check con pilotaje hidráulico para el desbloqueo permite “amarrar” hidráulicamente a un actuador de tal manera que ninguna fuerza externa pueda mover al actuador. En el siguiente circuito se puede observar que los cilindros A, B, y C no podrán moverse por efecto de ninguna fuerza externa por mas grande que ésta sea, a menos que se accione una combinación de válvulas distribuidoras.

Por ejemplo si acciona la válvula 1 a la posición b, la válvula 2 no se acciona y la válvula 3 a la posición b entonces el cilindro no se mueve, el cilindro B sale y el cilindro C entra. Las condiciones de accionamiento así como de respuesta de los pistones se muestra en el siguiente cuadro. También se muestra el recorrido del aceite.

VALVULA: a

1

VALVULA:

b

a

X

X

2 b

VALVULA: a

3 b X

VALVULA: SALE

A

ENTRA

VALVULA: SALE X

B

ENTRA

VALVULA: SALE

C

ENTRA X

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En el sistema mostrado: Para que un cilindro se mueva le debe llegar aceite, así como debe salir aceite del cilindro. Cuando se abre una válvula check, la presión existente en esta línea pilotea la apertura de la otra válvula check. El aceite se va por el camino que menos resistencia le ofrece.

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Válvula de Control de Caudal Unidad X

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“VALVULA DE CONTROL DE CAUDAL” 1. DEFINICION La válvula de control de caudal permite disminuir y mantener controlada la velocidad de los actuadores. Para ello actúan estrangulando el paso del aceite o derivando una parte de Él.

2. OBJETIVO Las bombas de desplazamiento fijo producen un caudal fijo o constante a una determinada RPM, por lo tanto se sigue las siguientes estrategias para disminuir el caudal que llega al actuador: Se provoca un aumento de presión en las válvulas de tal manera que la presión se acerque a la zona de apertura de la válvula limitadora de presión y al abrir parcialmente permita la derivación del aceite, con lo que el aceite que llega al actuador puede ser regulado en función al estrangulamiento en las válvulas de control o regulación de caudal. Se divide el aceite a través de sistemas compensadores que aperturan o cierran en función de la carga que permiten la derivación del aceite a través de la propia válvula sin necesidad de elevar la presión a un valor cercano al máximo establecido por la válvula limitadora de presión. Este es un método mucho más económico que el primero ya que permite ahorrar energía en el proceso de disminución de velocidad. Otra de las formas de reducir velocidad en un actuador es actuando directamente sobre el desplazamiento volumétrico de la bomba, es decir que las bombas de caudal variable ajustan su desplazamiento volumétrico en función a un parámetro por ejemplo a la carga de tal manera que no se tiene necesidad de utilizar una válvula de control o regulación de caudal. Este método es actualmente usado con mayor frecuencia ya que se obtiene el mayor ahorro de energía, pero las inversiones iníciales en la adquisición de una bomba de caudal variable son mayores.

3. CLASIFICACION Las válvulas de control y regulación de caudal se clasifican en: Válvulas de estrangulamiento Válvulas reguladoras de caudal. Válvulas repartidoras o divisoras de caudal.

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4. REPRESENTACION

5. VALVULA DE ESTRANGULAMIENTO La válvula de estrangulamiento genera una caída de presión cuando circula un caudal. El caudal de aceite que ingresa al estrangulamiento es el mismo que sale, ya que el fluido es incompresible.

Esta caída de presión es la que define el caudal que circula por el estrangulamiento hacia un actuador, ya que al producir una gran caída de presión ocasiona la apertura de la válvula limitadora de presión dividiendo el caudal.

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En el ejemplo: La bomba envía 10 litros por minuto en forma constante y acciona a una carga de 1 tonelada, la carga solo genera 10 bar, en cambio el estrangulamiento 125 bares, esto hace que la válvula limitadora de presión se abra ligeramente descargando 2 litros por minuto haciendo que solo lleguen 8 litros por minuto a la carga lo que reduce la velocidad del pistan en su salida.

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Al existir mayor carga en el actuador el caudal se deriva aún más por la válvula limitadora de presión y por lo tanto circula poco caudal hacia el estrangulamiento y por lo tanto a la carga, lo que se manifiesta en una velocidad más lenta del pistan, este poco caudal provoca poca caída de presión en la válvula de estrangulamiento. En el ejemplo la carga ha subido de 1 tonelada a 10 toneladas y de aquí a 14 toneladas. La caída de presión ha crecido en la carga provocando aún más la división de caudal por la limitadora de presión. Al disminuir el caudal por la válvula de estrangulamiento disminuye la caída de presión.

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HIDRAULICA I Área de Información Técnica De aquí que la válvula de estrangulamiento a una regulación fija no puede mantener un caudal constante aunque su configuración física permanezca igual (la válvula de estrangulamiento no se ha alterado, sigue manteniendo su área, su forma geométrica, el rozamiento etc.) ante la presencia de cargas variables en el actuador; solo controla la velocidad del actuador si este mantiene una carga constante.

La caída de presión en un estrangulamiento depende de: • • • • • •

La velocidad del fluido De la sección del estrangulamiento La longitud del estrangulamiento La viscosidad del fluido El tipo de flujo. La forma geométrica del estrangulamiento.

Se asume que algunos de estos parámetros permanecen fijos y otros son variables. Por ejemplo se asume que el caudal determina fundamentalmente la caída de presión. La ecuación es:

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HIDRAULICA I Área de Información Técnica Donde la constante k es la que engloba los otros parámetros mencionados.

Si consideramos: Que la presión en la salida del estrangulamiento esta determinada por la carga y que el limite de la presión antes del estrangulamiento esta definido por la presión de la válvula limitadora de presión, entonces tenemos definido el valor, porque lógicamente dependerá del valor de la carga: a menor carga mayor p y a mayor carga menor p, por lo tanto: En un estrangulamiento el caudal estará en función de la caída de presión p. Obtenemos así el siguiente gráfico:

El modelo matemático que describe esta relación es:

* La constante K difiere de la constante de la relación anterior. Centro de Investigación y Tecnología Mecánica – ITM

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HIDRAULICA I Área de Información Técnica Pero no siempre los parámetros indicados: área, viscosidad, tipo de flujo, permanecen constantes, por ejemplo la temperatura afecta la viscosidad, En un estrangulamiento se genera calor por efecto de pérdidas, este calor incrementa la temperatura del fluido afectando a la viscosidad del fluido alterando por lo tanto la respuesta del estrangulamiento en el control del caudal por efecto de la temperatura. Por ello hay estrangulamientos que dependen de la viscosidad del fluido y otros que no tienen dependencia de la viscosidad y por lo tanto de la temperatura del fluido. De aquí definimos los siguientes tipos de estrangulamientos:

5.1 TIPOS Hay dos tipos de válvulas de estrangulamiento:

5.1.1 VALVULAS DE ESTRANGULAMIENTO PROPIAMENTE DICHAS El control de caudal depende de la caída de presión y además de la temperatura del aceite.

5.1.2 VALVULAS DE DIAFRAGMA El control de caudal depende de la caída de presión pero no de la temperatura.

Además las válvulas de estrangulamiento pueden ser fijas o variables.

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6. VALVULA DE ESTRANGULAMIENTO CON ANTIRRETORNO 6.1. REPRESENTACION

6.2. FUNCIONAMIENTO Es usual que se encuentren trabajando juntas en paralelo la válvula de estrangulamiento con la válvula de antirretorno o check. De esta manera el estrangulamiento controla el caudal en un sentido y en sentido contrario el fluido pasa libremente a través de la válvula check. Comúnmente vienen empaquetadas la válvula de estrangulamiento con la válvula check, esto significa que se presentan formando una sola unidad.

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También es común encontrar paquetes de válvulas que contienen dos estrangulamientos y dos válvulas check de tal manera que se puede controlar la velocidad de los actuadores en un sentido y en sentido contrario independientemente.

6.3. ESTRUCTURA DE VALVULAS DE ESTRANGULAMIENTO CON VALVULAS CHECK En la siguiente figura se muestra la estructura de una válvula de estrangulamiento en paralelo con una válvula check ensambladas en una sola unidad. El paso de fluido de A hacia B es a través de la válvula de estrangulamiento ya que la válvula de retención en este sentido se bloquea, el control se realiza por la muesca triangular la que puede pasar del estado totalmente abierto a totalmente cerrada. Debemos recordar que la válvula de estrangulamiento controla velocidad por división de caudal a través de la válvula limitadora de presión en la zona ubicada entre su presión de apertura y su presión de regulación por lo tanto para alcanzar esta presión es necesario que la válvula de estrangulamiento este casi cerrada por lo que no nos debe sorprender obtener la disminución de velocidad de los actuadores en los últimos hilos del tornillo del estrangulamiento. Centro de Investigación y Tecnología Mecánica – ITM

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Si el fluido circula de B hacia A entonces la válvula de retención permite el paso de B hacia A ofreciéndole solo la resistencia que le ofrece el muelle de posicionamiento de la válvula de retención.

7. FORMAS DE CONTROLAR LA VELOCIDAD El uso de válvulas de estrangulamiento en paralelo con válvulas check permite controlar la velocidad de los actuadores en un sentido, pero su ubicación en el sistema define las siguientes formas de controlar la velocidad de los actuadores denominadas comúnmente regulaciones:

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7.1. REGULACION PRIMARIA El fluido se estrangula o regula antes de ingresar al actuador. Podemos tener regulación primaria para la salida de un pistón o para la entrada del pistón.

7.2 REGULACION SECUNDARIA El fluido se estrangula o regula al salir del actuador. Podemos tener regulación secundaria para la salida de un pistón o para la entrada del pistón.

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7.2. REGULACION POR DERIVACION El fluido es derivado hacia tanque a través de la válvula de estrangulamiento. Puede realizarse un control de caudal para la entrada y salida del pistón como el que muestra la figura o solamente para un de sus movimientos (entrada o salida), por ello la división de caudal se daría en las líneas A o B con respecto a tanque, pero no es muy común esta practica.

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Actuadores Hidráulicos Unidad XI

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“ACTUADORES HIDRÁULICOS” 1. DEFINICIÓN Un actuador transforma la energía hidráulica en energía mecánica

2. TIPOS Los actuadores hidráulicos son de dos tipos: Pistones hidráulicos. Motores hidráulicos.

2.1

CILINDROS HIDRÁULICOS Transforman la energía hidráulica en energía mecánica en términos de fuerza F y desplazamiento d.

2.2 MOTORES HIDRÁULICOS Transforman la energía hidráulica en energía mecánica en términos de torque M y desplazamiento angular.

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3 CILINDROS HIDRÁULICOS Los cilindros hidráulicos son motores lineales. Con ellos se producen movimientos lineales en máquinas e instalaciones donde se puede alcanzar grandes fuerzas y desplazamiento longitudinales. La velocidad del émbolo del cilindro puede ser controlada variando la cantidad de flujo de alimentación. La fuerza máxima que debe alcanzar un cilindro puede ser elegida o fijada a través de una válvula de presión. Las formas constructivas exteriores de los cilindros dependen del uso que se les quiere dar, para poder seleccionar o diseñar un cilindro los diseñadores necesitan una serie de datos. Sin embargo se debe en lo posible recurrir a medidas normalizadas tanto para poder encontrar los elementos constructivos como para asegurar su reemplazo. Los cilindros estandarizados respetan determinadas medidas constructivas y de conexión. Los diámetros de cilindros normalizados son:

Estas medidas se refieren al diámetro interior del cilindro. En las recomendaciones también se fijan el diámetro del vástago y otras medidas importantes. Las presiones de diseño que se recomiendan son:

La carrera de los cilindros es relativamente libre de elegir.

4 FUERZAS QUE ACTUAN SOBRE UN CILINDRO Las fuerzas que actúan sobre un cilindro hidráulico pueden ser positivas o negativas Fuerzas Positivas.- Aparecen cuando el actuador transfiere energía a un cuerpo. Por ello este tipo de fuerzas analizado desde el pistón, ofrece resistencia al movimiento del pistón. Fuerzas negativas.-Son aquellas que aparecen cuando externamente se transfiere energía al pistón. Por ello el pistón no puede controlar a éste tipo de fuerza.

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5 CLASIFICACIÓN DE LOS CILINDROS Los cilindros hidráulicos se clasifican: Por su forma constructiva Por su forma de fijación.

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5.1 CLASIFICACIÓN POR SU FORMA CONSTRUCTIVA Cilindros de Simple Efecto Cilindros de Doble Efecto Cilindros telescópicos

5.2 CLASIFICACIÓN POR SU FORMA DE FIJACIÓN Cilindros de montaje fijo con patas tangenciales. Cilindros embridados. Cilindros articulados en la base. Cilindros articulados en la cabeza.

6 CILINDROS DE SIMPLE EFECTO Los cilindros hidráulicos de simple efecto son actuadores que pueden aplicar fuerza en un solo sentido, para ello tienen una sola vía de ingreso o salida de fluido. Al accionarse el pistón en un solo sentido, la fuerza de retorno del pistón en sentido contrario se logra a través de: Una fuerza externa. El propio peso del pistón. Un muelle o resorte. La cámara que no esta sometida a presión debe estar en contacto con la presión atmosférica por ejemplo a través de un pequeño orificio donde entre y salga el aire cuando el pistón entra en movimiento.

7 CILINDROS DE DOBLE EFECTO Un cilindro hidráulico de doble efecto consiste en un cuerpo cilíndrico y un émbolo móvil al cual se ha fijado un vástago. Las tapas o culatas se fijan al cilindro por medio de uniones roscadas, bridas, tirantes o uniones soldadas. El desplazamiento del émbolo hacia adentro y hacia fuera es guiado y sostenido por un casquillo removible llamado prensaestopas del vástago o cojinete del vástago. La tapa del cilindro a través de la cual sale el vástago se denomina “cabeza del vástago”. Al extremo opuesto se le denomina simplemente “tapa”. Los puertos o vías de entrada y salida se localizan en la cabeza y la tapa.

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7.1 PARTES DE UN CILINDRO DE DOBLE EFECTO Cilindro Embolo Vástago Tapa Tapa del vástago o cabeza del vástago Sellos de labios o cejas Anillos del émbolo Sellos en el prensaestopas del vástago Vía o puerto Retén respador.

8 FORMAS DE ENSAMBLAJE DE CILINDROS HIDRAULICOS Existen diferentes formas de ensamblar un cilindro hidráulico en un sistema y lograra multiplicar las fuerzas. La norma para un correcto montaje es que el cilindro hidráulico puede aplicar grandes fuerzas axiales pero no debe aplicar ni soportar fuerzas radiales.

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9 SELLOS Para un buen funcionamiento de un cilindro, debe existir un sello alrededor del émbolo y en el presaestopas del vástago. Existe gran variedad de sellos para el presaestopas del vástago. Algunos cilindros están equipados con un sello principal en forma de V o acopado, fabricado de cuero, poliuretano, nitrilo o vitón, y un sello limpiador que evita la introducción de materiales extraños en el interior del cilindro. Es de suma importancia comprobar que el material con el cual se ha fabricado el sello sea compatible con el fluido y las condiciones de funcionamiento del sistema. Ejemplo: Un tipo de sello para el prensaestopas del vástago consiste en un sello principal con bordes interiores dentados, que rozan continuamente el vástago y lo limpian removiendo el fluido. Un segundo sello frota el vástago para eliminar los restos que pudiese haber dejado el sello principal y elimina las partículas extrañas cuando retrocede el vástago al interior del cilindro.

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10 SISTEMAS DE AMORTIGUACIÓN Los sistemas de amortiguamiento se emplean para proteger el cilindro de los efectos de los golpes del embolo sobre las tapas de los cilindros en los pistones.

Al cambiar de la posición o a la posición a de la válvula distribuidora el vástago del cilindro bajará por efecto de la acción de la gravedad y no por efecto de la presión del sistema, perdiendo el control del pistón (Acción de fuerza negativa). Al chocar el pistón sobre la tapa del cilindro puede provocar daños como fisuras o deformaciones, por ello es necesario mantener controlada a esta fuerza. Las formas de controlar estos efectos son: Colocar válvulas de estrangulamiento. Colocar válvulas de contrapresión. Utilizar cilindros con sistemas de amortiguamiento. En todos los casos el objetivo es crear un colchón de presión para el amortiguamiento de la carga. Este colchón de presión puede estar presente siempre como en el caso de la ubicación de una válvula de estrangulamiento o una válvula de contrapresión o puede aparecer solo en el tramo final del recorrido del embolo en el cilindro como en el caso de un sistema de amortiguamiento ensamblado en el propio cilindro hidráulico. Los sistemas hidráulicos con válvulas de estrangulamiento o válvulas de contrapresión generan siempre una caída de presión que provoca pérdida de energía y que reducen innecesariamente la velocidad a lo largo del recorrido del pistón. En realidad en buen accionamiento tiene alta velocidad en su recorrido, pero baja velocidad en los tramos finales antes de llegar al final de su recorrido y tocar las tapas. Centro de Investigación y Tecnología Mecánica – ITM

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10.1 SISTEMAS DE AMORTIGUACIÓN EN EL PROPIO CILINDRO Los sistemas de amortiguamiento en el propio cilindro utilizan estrangulamientos en la carrera de frenado. Cuando el pistón esta llegando al final de la carrera el tramo comprendido en la cabeza del embolo buzo se aloja exactamente en la ranura. El aceite atrapado en la cámara comprendida entre la sección anular del embolo y la tapa es el que disminuye la velocidad del cilindro amortiguando la fuerza antes de llegar a tocar la tapa del cilindro, este aceite se evacua a través del estrangulamiento ubicado en el juego del embolo buzo con la ranura donde ingresa.

En algunos casos es posible regular estos estrangulamientos. Centro de Investigación y Tecnología Mecánica – ITM

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HIDRAULICA I Área de Información Técnica Por ejemplo en el caso que se muestra en la siguiente figura: El estrangulamiento 1, es el que define el grado de amortiguación y puede regularse. Para el movimiento en sentido contrario del pistón el aceite tendría menor área en contacto y por lo tanto sería menor la fuerza disponible, por lo tanto se hace necesario que el aceite pueda entrar en contacto desde el momento inicial con toda el área del embolo, para eso se inserta la válvula check que permite que el fluido entre en contacto también con el área anular del embolo y pueda salir libremente y disponerse de la máxima fuerza.

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HIDRAULICA I Área de Información Técnica También es posible practicar una muesca en la cabeza del embolo buzo de tal manera que actúa como un estrangulamiento 2 de tal manera que el pistón vaya frenándose paulatinamente a medida que llega al final de su carrera, es un estrangulamiento variable en función de la carrera final del pistón.

11 MOTORES HIDRAULICOS Los motores hidráulicos transforman la energía hidráulica en energía mecánica y generan movimientos rotativos. Si el movimiento rotativo se limita a determinados ángulos, se trata de motores de desplazamiento angular. Desde el punto de vista energético los motores actúan contrariamente a las bombas hidráulicas, pero su geometría es muy similar.

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12 REPRESENTACIÓN Los motores hidráulicos pueden ser: De giro en un solo sentido De giro en ambos sentidos

13 PARÁMETROS Los motores hidráulicos tienen los mismos parámetros característicos que las bombas, aunque en el caso de los motores hidráulicos no se aplica el término de volumen desplazado, utilizándose más bien el de VOLUMEN ABSORBIDO (V.A.) La velocidad n (RPM) de giro de un motor hidráulico esta dado por el caudal Q entre el volumen absorbido VA:

El producto del volumen absorbido VA multiplicado por la diferencia de presión p en el motor hidráulico define el momento o torque M:

La potencia mecánica PMOTOR entregada por un motor hidráulico esta dada por el producto del momento o torque M por la velocidad angular ∞.

Donde la velocidad angular ∞:

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HIDRAULICA I Área de Información Técnica La potencia hidráulica PHIDRAULICA recibida por el motor hidráulico esta dada por:

Los motores hidráulicos tienen básicamente las mismas características constructivas que las bombas hidráulicas, de aquí que tengan una eficiencia MOTOR aproximada entre 80 a 90 %.

Ejemplo Un motor hidráulico de 50 cm3 recibe 60 l/min de caudal y los manómetros de entrada y salida del motor indican 280 bar y 20 bar respectivamente, si la eficiencia del motor es de 85 % determinar: 1. El número de revoluciones por minuto n (RPM). 2. El Torque M (N-m). 3. La potencia (HP) del motor hidráulico. Solución:

El motor entregaría este torque, si tuviese una eficiencia del 100 %, pero como tiene una eficiencia del 85 %:

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14 TIPOS Constructivamente los motores no presentan mayores diferencias con las bombas, por lo tanto existen la misma diversidad y clasificación de motores hidráulicos como las mencionadas para bombas hidráulicas. Aquí se desarrollara el principio de funcionamiento de los motores hidráulicos de mayor uso como son los motores de pistones axiales.

15 MOTOR DE PISTONES AXIALES DE PLATO INCLINADO El motor de pistones axiales tiene un conjunto de pistones que se desplazan con un tambor giratorio sobre un plato inclinado.

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15.1 PARTES DE UN MOTOR DE PISTONES AXIALES

1. 2. 3. 4. 5. 6.

CARCASA PISTON PLATO INCLINADO ROTULA PLACA CONTIENE LUMBRERAS DE ENTRADA Y SALIDA SEGURO DE ROTULAS

15.2 FUNCIONAMIENTO El funcionamiento de un motor de pistones axiales se explica de la siguiente manera: En el diagrama de cuerpo libre del pistón la fuerza F se descompone en dos fuerzas: Fuerza tangencial en un plano horizontal FT. Fuerza normal, perpendicular al plano inclinado FN. La fuerza FT actúa a una distancia r del eje central y provoca con ello un par motor M = FT * r Al descender el pistón, el tambor le conduce forzosamente sobre el plano inclinado en una órbita circular. Por ello, el tambor recibe un movimiento rotativo.

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HIDRAULICA I Área de Información Técnica Puede recogerse el par motor en el árbol de salida, que esta solidario con el tambor, para obtener en el árbol de salida un par motor lo más alto posible y un movimiento rotativo permanente, se disponen varios pistones axiales en el interior del tambor. La presión es la que impulsa a los pistones a través del plano inclinado. Una vez que se encuentra en el punto inferior, la acción rotacional de los otros pistones impulsa a los pistones que se encuentran en el punto inferior a subir a través del plano inclinado, esto se realiza fácilmente debido a que esta zona se encuentra descargada o a baja presión. Por lo tanto en un motor hidráulico debemos distinguir una zona de ingreso del fluido a presión y una zona de salida de fluido a la descarga o tanque. Es fácil cambiar la dirección de un motor hidráulico al cambiar estas zonas de ingreso y salida. El número de pistones axiales en el tambor es variable. Cuanto mayor es el número de pistones axiales existentes, tanto mas uniformemente queda el giro del motor hidráulico. Por pérdidas de fluido en los pistones axiales, entre el tambor y el plato inclinado, entra permanentemente líquido a presión en la cámara de la carcasa del motor. Este fluido debe evacuarse por un conducto de fuga de tal manera que no se forme colchones de presión que puedan dificultar el libre accionamiento del motor. Por ello encontraremos siempre la carcasa de las bombas de pistones llena de aceite que descarga a través de una línea de drenaje a tanque, cabe mencionar que esta descarga aún siendo mínima ( en algunas oportunidades es solo un goteo ) es muy importante. Para obtener una separación de los lados de entrada y de salida, un disco distribuidor se hace indispensable. Al lado de este disco distribuidor, de montaje fijo, se desliza el tambor en rotación con los orificios de los cilindros. Para obtener el par motor necesario, deben combinarse varios pistones axiales. Esto se logra gracias a una zona de presión uniforme en el disco del distribuidor. Por medio de los orificios uniformes del disco distribuidor se logra por ejemplo que cuatro de los nueve pistones estén con fluido a presión, los otros cuatro se comunican con tanque, mientras que un pistón axial está en el punto muerto. Por tanto, hay en cada momento un par motor suficiente para garantizar incluso bajo carga un giro permanente del árbol secundario.

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