HIDRÁULICA
1 HIDRÁULICA Contenido 1.0 INTRODUCCIÓN....................................................................................................... 4 2.0. Propiedades de los fluidos hidraulicos ................................................................... 10 Cambios de unidades................................................................................................................15 Simbología hidráulica ................................................................................................................18 Clasificación de los cilindros hidráulicos ...................................................................................19 3. propiedades físicas de la hidráulica........................................................................... 23 Bases físicas de la hidráulica ....................................................................................................24 Ley de Pascal.............................................................................................................................24 Fuerza de flotación y Principio de Arquímedes........................................................................31 4.0. estructura de los sistemas hidráulicos.................................................................... 34 Principio de funcionamiento de válvulas hidráulicas................................................................36 Clasificación de las válvulas hidráulicas ...................................¡Error! Marcador no definido. Válvulas Hidráulicas de la industria de los Montacargas.........................................................45 Cilindros hidráulicos...................................................................................................................45 Cálculo de la Fuerza de Empuje...............................................................................................46 Motores o bombas hidráulicos ..................................................................................................54 5.0 Mantenimiento a sistemas hidraulicos..................................................................... 61 Localización de fallos en los sistemas hidráulicos....................................................................64 Vida Util de los cilindros.............................................................................................................76 6.0 Interpretación de Diagramas hidráulicos ................................................................. 83 7.0 Análisis e interpretación de los diagramas hidráulicos de GMEX............................ 88 Prácticas de armado y desarmado de válvulas y cilindros ............................................ 88 8.0 Lubricación .............................................................................................................. 88 Conceptos de tribología.............................................................................................................88 Ramas de estudio de la tribología.............................................................................................89 Grasas Industriales....................................................................................................................95 Grasas Grado Industrial ............................................................................................................99 Tipos de rodamientos............................................................................................................. 103 Vida útil de los rodamientos ................................................................................................... 106 9.0 Detección de fugas y niveles de los sistemas. ...................................................... 117 Método 1: inspección ocular................................................................................................... 117
2 HIDRÁULICA Método 2: aerosoles especializados...................................................................................... 117 Método 3: inyección de colorante .......................................................................................... 118 Método 4: láser y ultrasonidos................................................................................................ 118 ANEXOS...................................................................................................................... 119 BIBLIOGRAFÍA............................................................................................................ 121
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4 HIDRÁULICA 1.0 INTRODUCCIÓN La hidráulica utiliza básicamente los fluidos hidráulicos como medios de presión para mover los pistones de los cilindros. En la figura 1 se representa el movimiento típico de un pistón dentro del cilindro gracias a la energía proporcionada por un sistema hidráulico formado por una bomba, un depósito y un conjunto de tuberías que llevan el fluido a presión hasta los puntos de utilización. Dentro de estos sistemas se encuentran los motores hidráulicos con velocidades que abarcan desde 0,5 rpm hasta 10.000 rpm y el par que proporcionan va desde 1 Nm (baja velocidad) hasta 20.000 Nm (alta velocidad). Sistema Hidráulico convencional Fig. 1 Circuito típico de un pistón dentro del cilindro en un sistema hidráulico
5 HIDRÁULICA Sistema Hidráulico de un Montacargas Los sistemas hidráulicos se aplican típicamente en dispositivos móviles tales como maquinaria de construcción, excavadoras, plataformas elevadoras, aparatos de elevación Montacargas, maquinaria para agricultura y simuladores de vuelo.
6 HIDRÁULICA Sus aplicaciones en dispositivos fijos abarcan la fabricación y montaje de máquinas de todo tipo, líneas transfer, aparatos de elevación y transporte, prensas, máquinas de inyección y moldeo, máquinas de laminación, ascensores y montacargas. ventajas: Gran potencia transmitida con pequeños componentes, posicionamiento preciso, arranque con cargas pesadas, movimientos lineales independientes de la carga ya que los líquidos son casi incompresibles y pueden emplearse válvulas de control, operación suave e inversa, buen control y regulación y disipación favorable de calor. Y entre sus desventajas figuran: Polución del ambiente con riesgo de incendio y accidentes en el caso de fuga de aceite, sensibilidad a la suciedad, peligro presente debido a las excesivas presiones, dependencia de la temperatura por cambios en la viscosidad. Análogamente a los sistemas neumáticos, los sistemas hidráulicos se complementan con los eléctricos y electrónicos mediante dispositivos tales como válvulas solenoide, señales de realimentación de interruptores magnéticos, sensores e interruptores
7 HIDRÁULICA eléctricos de final de carrera. Es fácil, en particular en sistemas complejos, acoplarles un PLC que les permite programar la lógica de funcionamiento de varios cilindros. En determinadas aplicaciones, tales como en movimientos de aproximación rápido y avance lento, típicos de las fresadoras y rectificadoras, en la sujeción de piezas utilizada en los cortes a alta velocidad sobre materiales duros y en la automatización de procesos de producción, se combinan los sistemas neumático, hidráulico y eléctrico en la forma siguiente: • Circuito electroneumático – Accionamiento eléctrico – Actuador neumático. • Circuito oleo neumático – Accionamiento neumático – Actuador hidráulico. • Circuito electrohidráulico – Accionamiento eléctrico – Actuador hidráulico. OBJETIVO El objetivo principal de este curso es: • Conocer las magnitudes físicas más importantes que intervienen en los circuitos neumáticos e hidráulicos. • Conocer las distintas relaciones existentes entre estas magnitudes y las leyes físicas que las rigen. • Saber distinguir los distintos elementos que componen un circuito neumático/hidráulico y su función dentro del mismo. • Conocer el funcionamiento y las principales características de cada uno de estos elementos. • Adquirir los conocimientos necesarios que faciliten el estudio de los principales circuitos neumáticos e hidráulicos. Seguridad en el trabajo con hidráulica La Alta Presión requiere seguridad extrema. Cuando se trabaja con Hidráulica de Altísima Presión (hasta 4000 bar) es importante tomar las pertinentes medidas de seguridad. Ya que, si no se hace correctamente pueden producirse daños severos. La seguridad es un criterio clave en el diseño de sistemas hidráulicos.
8 HIDRÁULICA Riesgos de seguridad en acumuladores hidráulicos Según OSHA, la electricidad y la hidráulica son métodos de transmitir y almacenar energía. En muchos casos el comportamiento hidráulico es comparable a la electricidad en relación al nivel de riesgo del operador y procedimientos de seguridad.
9 HIDRÁULICA Información Básica El aceite o fluido hidráulico es peligroso. El fluido puede escapar cuando se quita o se ajusta un equipo. El fluido puede ser atrapado en el sistema hidráulico, aún cuando el motor o la bomba hidráulica estén paradas. El fluido comprimido puede estar con una presión en exceso de 2,000 psi. El líquido a presión puede penetrar la piel, requiriendo una pronta intervención quirúrgica para removerlo. Si no se tiene el cuidado apropiado, puede resultar en gangrena. Lesiones de penetración no parecen serias, pero la parte del cuerpo afectada se puede perder si la atención médica no se recibe pronto. Aprete todas las conexiones antes de colocar presión. Mantenga las manos y el cuerpo alejados de tubitos y boquillas que botan fluido a presión alta. Use un pedazo de papel o cartón para determinar escapes o fugas del fluido hidráulico. Baje la presión antes de desconectar una línea hidráulica. No cruce las líneas hidráulicas. Si las líneas no son ajustadas correctamente, el implemento no se alzará y bajará como es debido. Colocar cinta o colores códigos en las líneas para prevenir un accidente. Un implemento desconectado cuando esta levantado, puede haber atrapado fluido que debe estar bajo presión. El calor causa expansión termal del fluido, incrementando la presión. Siempre baje la presión hidráulica antes de aflojar los acoples hidráulicos. Lesiones pueden resultar del líquido hidráulico caliente regado a alta presión. Antes de dar mantenimiento a un equipo controlado o con poder hidráulico deberá: • Apagar la bomba hidráulica. • Bajar el implemento hasta el piso. • Mueva la palanca del hidráulico hacia adelante y hacia atrás varias veces para reducir la presión. • Seguir las instrucciones del manual del operador. Procedimientos específicos para mantenimiento de sistemas hidráulicos proveen normas de seguridad.
10 HIDRÁULICA • Mantenga las manos y el cuerpo alejados de tubitos y boquillas que botan fluido a presión alta. • Buscar ayuda médica si el líquido penetra en la piel. Revisar los Puntos Siguientes • Ajustar y quitar equipos cuando el fluido hidráulico está bajo presión puede ser peligroso. • Mantener todas las partes del cuerpo alejados de tubitos y boquillas que botan fluido a presión alta. • Nunca cruce las mangueras o líneas en los equipos. • Siempre baje el implemento hasta el suelo antes de dar mantenimiento y reducir presión. • Siga todas las instrucciones del manual del operador. • Si usted nota un retén o una manguera en malas condiciones, notifique a su patrón para que la reponga. 2.0. Propiedades de los fluidos hidráulicos En el compresor, los fluidos que son comprimidos pueden ser de diversa naturaleza, generalmente son una mezcla de gases. En determinadas ocasiones estos gases se comportan como gases perfectos. El aire si lo definiéramos severamente, no es un gas perfecto, pero dadas las pequeñas variaciones que en él ocurren y para un estudio de los principios de funcionamiento de los compresores, podemos considerarlo como un gas que satisface las condiciones de un gas perfecto. A pesar de ser insípido, inodoro e incoloro, percibimos el aire a través de vientos, aviones y pájaros que en él flotan y se mueven; sentimos también su impacto sobre nuestro cuerpo. Concluimos fácilmente, que el aire tiene existencia real y concreta, ocupando lugar en el espacio que nos rodea.
11 HIDRÁULICA Gráfico en corte de un cilindro de doble efecto que ilustra las piezas básicas. Este ejemplo particular muestra los montajes con horquilla para adaptarse a la carga. 2.1 Conceptos fundamentales Presión Se distinguen dos conceptos: La presión de servicio es la suministrada por el compresor o acumulador y existe en las tuberías que alimentan a los consumidores. La presión de trabajo es la necesaria en el puesto de trabajo considerado. En la mayoría de los casos, es de 600 kPa (6 bar). Por eso, los datos de servicio de los elementos se refieren a esta presión. Importante: Para garantizar un funcionamiento fiable y preciso es necesario que la presión tenga un valor constante. De ésta dependen: • La velocidad
12 HIDRÁULICA • Las fuerzas • El desarrollo secuencial de las fases de los elementos de trabajo. Los compresores se accionan, según las exigencias, por medio de un motor eléctrico o de explosión interna. En la industria, en la mayoría de los casos los compresores se arrastran por medio de un motor eléctrico. Generalmente el motor gira un número de rpm fijo por lo cual se hace necesario regular el movimiento a través de un sistema de transmisión compuesto en la mayoría de los casos por un sistema de poleas y correas. Aunque la aplicación anterior es la más difundida y utilizada industrialmente, el elemento de accionamiento también puede ser un motor de combustión interna. Este tipo de energía es especialmente útil para trabajos en terrenos en el que no se cuenta con electricidad. Si se trata de un compresor móvil, éste en la mayoría de los casos se acciona por medio de un motor de combustión (gasolina, Diesel). Regulación de Presión La presión (p), es la magnitud resultante del cociente entre una fuerza (F) y la superficie sobre la que apoya (S). La unidad (S.I.) de presión es el Pascal (Pa)
13 HIDRÁULICA Como esta unidad es muy pequeña, se emplean múltiplos de esta: Normalmente, un sistema de producción de aire comprimido atiende a la demanda de aire para varios equipos neumáticos. En todos estos equipos está actuando la misma presión. Esto, no siempre es posible, porque, si nosotros estuviéramos actuando un elemento neumático con presión mayor de lo que realmente necesita, estaremos consumiendo más energía de la necesaria. Por otro lado, un gran número de equipos operando simultáneamente en un determinado intervalo de tiempo hace que la presión caiga, debido al pico de consumo ocurrido. Estos inconvenientes se evitan usando la Válvula Reguladora de Presión, o simplemente el Regulador de Presión, el cual debe: − Compensar automáticamente el volumen de aire requerido por los equipos neumáticos. − Mantener constante la presión de trabajo (presión secundaria), independiente de las fluctuaciones de presión en la entrada (presión primaria) cuando esta esté encima del valor regulado. La presión primaria debe ser siempre superior a la presión secundaria, independiente de los picos. − Funcionar como válvula de seguridad. Regulador de Presión sin Escape El regulador sin escape es semejante al visto anteriormente, pero presenta algunas diferencias: No permite el escape del aire debido al aumento de presión; el diafragma no está dotado del orificio de sangría (F), porque es sólido. Cuando deseamos regular la presión respecto a un nivel inferior a lo establecido, la presión secundaria debe presentar un consumo para que la regulación sea efectuada.
14 HIDRÁULICA Compresibilidad El aire, así como todos los gases, tiene la propiedad de ocupar todo el volumen de cualquier recipiente, adquiriendo su forma propia. Así, podemos encerrarlo en un recipiente con un volumen determinado y posteriormente provocarle una reducción de su volumen usando una de sus propiedades la compresibilidad. Podemos concluir que el aire permite reducir su volumen cuando está sujeto a la acción de fuerza exterior. Elasticidad Propiedad que permite al aire volver a su volumen inicial una vez desaparecido el efecto (fuerza) responsable de la reducción del volumen. Difusibilidad Propiedad del aire que le permite mezclarse homogéneamente con cualquier medio gaseoso que no esté saturado. Expansibilidad Propiedad del aire que le permite ocupar totalmente el volumen de cualquier recipiente, adquiriendo su forma.
15 HIDRÁULICA Peso del Aire Como todo material concreto, el aire tiene peso. La experiencia abajo muestra la existencia del peso del aire. Tenemos dos balones idénticos, herméticamente cerrados, conteniendo el aire con la misma presión y temperatura. Colocándolos en una balanza de precisión, los platos se equilibran. El Aire Caliente es Mas Liviano que el Aire Frio Una experiencia que muestra este hecho es el siguiente: Una balanza equilibra dos balones idénticos, abiertos. Exponiéndose uno de los balones al contacto con una llama, el aire de su interior se calienta, escapa por la boca del balón, haciéndose así, menos denso. Consecuentemente hay un desequilibrio en la balanza. Cambios de unidades
16 HIDRÁULICA Figura 4.3 elementos auxiliares de un sistema neumático
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18 HIDRÁULICA Simbología hidráulica Cuando estemos en este tema cada símbolo hidráulico se identificará en el montacargas cuando aplique.
19 HIDRÁULICA Clasificación de los cilindros hidráulicos
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23 HIDRÁULICA 3. propiedades físicas de la hidráulica La palabra "Hidráulica" proviene del griego "hidro" que significa "agua", y “aulos” que significa cañería o entubamiento, cubrió originalmente el estudio del comportamiento físico del agua en reposo y en movimiento. La “hidráulica”, por lo tanto, es un adjetivo que implica que la palabra está de alguna manera relacionada con líquidos. Ejemplos pueden ser encontrados en el uso diario de “hidráulica” en conexión con elementos familiares como los gatos de automóviles y los frenos. Como un ejemplo gráfico, la frase “elevador hidráulico de carga” se refiere a un elevador ascendiendo y descendiendo sobre una columna de líquido en lugar de usar cables y un tambor. Por otro lado, la palabra “hidráulica” es el nombre genérico de un tema. De acuerdo con el diccionario la palabra “hidráulica” está definida como la ciencia que trata con aplicaciones prácticas (tales como la transmisión de energía o los efectos del caudal) de un líquido en movimiento. El uso ha ampliado su significado para incluir el comportamiento de todos los líquidos, aunque se refiera sobre todo al movimiento de líquidos. La hidráulica incluye la manera de la cual los líquidos actúan en los tanques y las cañerías, se ocupa de sus características, y explora maneras de aprovechar las mismas. Hoy el término hidráulica se emplea para referirse a la transmisión y control de fuerzas y movimientos por medio de líquidos, es decir, se utilizan los líquidos para la transmisión de energía, en la mayoría de los casos se trata de aceites minerales, pero también pueden emplearse otros fluidos, como líquidos sintéticos, agua o una emulsión agua-aceite. La potencia fluida es un término que fue creado para incluir la generación, control, y el uso de la energía en forma continua y eficaz de fluidos bombeados o comprimidos (líquidos o gases) cuando se utiliza esta energía para proporcionar la fuerza y el movimiento a los mecanismos. Esta fuerza y movimiento puede estar en forma de empuje, tracción, rotación, regulación, o conducción. La potencia fluida incluye la hidráulica, que se relaciona con los líquidos, y la neumática, que se relaciona con los gases. Los líquidos y los gases son similares en muchos aspectos.
24 HIDRÁULICA Sistemas hidráulicos Un sistema hidráulico contiene y confina un líquido de manera que el mismo usa las leyes que gobiernan los líquidos para transmitir potencia y desarrollar trabajo. Vemos aquí algunos sistemas básicos y tratamos componentes de un sistema hidráulico que almacenan y acondicionan el fluido. El reservorio de aceite (sumidero y tanque) usualmente sirve para depósito y acondicionador del fluido. Los filtros, reguladores y conexiones magnéticas acondicionan el fluido al quitar impurezas extrañas que podrían obstruir los pasajes y dañar las partes. Los intercambiadores de calor o enfriadores son usados para mantener la temperatura del aceite dentro de los límites aceptables de seguridad y evitar el deterioro del aceite. Los acumuladores, a pesar de ser técnicamente fuentes de energía almacenada, actúan como almacenes de fluido. Bases físicas de la hidráulica Leyes físicas relativas a los fluidos. Hay infinidad de leyes físicas relativas al comportamiento de los fluidos, muchas de ellas son utilizadas con propósitos científicos o de experimentación, nosotros nos limitaremos a estudiar aquellas que tienen aplicación práctica en nuestro trabajo. Ley de Pascal. En física, el principio de Pascal o ley de Pascal, es una ley enunciada por el físico y matemático francés Blaise Pascal (1623-1662) que se resume en la frase: la presión ejercida en cualquier lugar de un fluido encerrado e incompresible se transmite por igual en todas las direcciones en todo el fluido, es decir, la presión en todo el fluido es constante. "La presión existente en un líquido confinado actúa igualmente en todas direcciones, y lo hace formando ángulos rectos con la superficie del recipiente".
25 HIDRÁULICA Figura 3.1 interpretación de la ley de pascal La ley de Pascal se puede enunciar matemáticamente como sigue: F = P x A o P = F/A o A = F/P donde F = fuerza (lb.)(newton) P = presión en Ib/pulg.2 (Kg./cm.2) A = área en pulg.2 (cm.2) El efecto de la temperatura en los fluidos. Es bien conocido el efecto de expansión de líquidos y gases por aumento de la temperatura. La relación entre la temperatura, volumen y presión de un gas podemos calcularla por la ley de Charles. La expansión del aceite hidráulico en un recipiente cerrado es un problema en ciertas condiciones por ejemplo un cilindro hidráulico lleno de aceite en una de sus cámaras y desconectado mediante acoplamientos rápidos de la línea de alimentación, no presenta lugar para una expansión cuando es expuesto al calor. La presión interna puede alcanzar valores de 350 Kg/cm² y aun 1.400 Kg/cm² dependiendo del incremento de temperatura y características del cilindro
26 HIDRÁULICA Compresibilidad de los Fluidos. Todos los materiales en estado gaseoso, liquido o sólido son compresibles en mayor o menor grado. Para las aplicaciones hidráulicas usuales el aceite hidráulico es considerado incompresible, si bien cuando una fuerza es aplicada la reducción de volumen será de 1/2 % por cada 70 Kg/cm² de presión interna en el seno del fluido. De la misma forma que los diseñadores de estructuras deben tener en cuenta el comportamiento del acero a la compresión y elongación, el diseñado hidráulico en muchas instancias debe tener en cuenta la compresibilidad de los líquidos, podemos citar como ejemplo, la rigidez en un servomecanismo, o el cálculo del volumen de descompresión de una prensa hidráulica para prevenir el golpe de ariete. Transmisión de Potencia Una fuerza mecánica, trabajo o potencia es aplicada en el pistón A. La presión interna desarrollada en el fluido ejerciendo una fuerza de empuje en el pistón B. Según la ley de Pascal la presión desarrollada en el fluido es igual en todos los puntos por la que la fuerza desarrollada en el pistón B es igual a la fuerza ejercida en el fluido por el pistón A, asumiendo que los diámetros de A y B son iguales. Figura 3.2 Transmisión de potencia
27 HIDRÁULICA Transmisión de Potencia a través de una tubería. El largo cilindro de la figura 3.2, puede ser dividido en dos cilindros individuales del mismo diámetro y colocados a distancia uno de otro conectados entre sí por una cañería. El mismo principio de transmisión de la fuerza puede ser aplicado, y la fuerza desarrollada en el pistón B va ser igual a la fuerza ejercida por el pistón A. La ley de Pascal no requiere que los dos pistones de la figura 3.2 sean iguales. La figura 3.3 ilustra la versatilidad de los sistemas hidráulicos y/o neumáticos al poder ubicarse los componentes aislantes no de otro, y transmitir las fuerzas en forma inmediata a través de distancias considerables con escasas perdidas. Las transmisiones pueden llevarse a cualquier posición. Figura 3.3 Versatilidad de sistemas hidráulicos
28 HIDRÁULICA Aun doblando esquinas, pueden transmitirse a través de tuberías relativamente pequeñas con pequeñas perdidas de potencia. La distancia L que separa la generación, pistón A, del punto de utilización pistón B, es usualmente de 1,5 a 6 metros en los sistemas hidráulicos, y de 30 a 60 metros en aire comprimido. Distancias mayores son superadas con sistemas especialmente diseñados. Presión Hidráulica. La presión ejercida por un fluido es medida en unidades de presión. Las unidades comúnmente utilizadas son: La libra por pulgada cuadrada = PSI El Kilogramo por centímetro cuadrado = Kg/cm² El Kilogramo fuerza por centímetro cuadrado = Kp/cm² El bar = bar Existiendo la siguiente relación aproximada: Kg /cm² ~ Kp/cm² ~ bar
29 HIDRÁULICA En la figura 5.4 se muestra que la fuerza total aplicada al vástago de un pistón se distribuye sobre toda la superficie de este. Por ello para encontrar la presión que se desarrollará en el seno de un fluido deberemos dividir el empuje total por la superficie del pistón Figura 3.4 Fuerza de un cilindro La figura 5.4, una fuerza de 2200 Kg. ejercida en el extremo del vástago es distribuida sobre 200 cm² por lo que la fuerza por cm² será de 10 Kg. y esto lo indica el manómetro Este principio tiene carácter reversible, en la figura 1-11 la presión interna del fluido actuando sobre el área del pistón produce una fuerza de empuje en el extremo del vástago. Figura 3.4-a Fuerza de un cilindro Factor de multiplicación En la figura 1-12 vemos un método de multiplicar la fuerza en un sistema hidráulico. Una fuerza de 70 Kg. es aplicada sobre el pistón A. Mediante el cálculo que hemos descrito, se origina una presión disponible de 7 Kg/cm².
30 HIDRÁULICA Figura 3.5 ley de pascal Esta presión actúa sobre la superficie del pistón B de 20 cm2. produciendo una fuerza de empuje de 140 Kg. Es decir que la fuerza aplicada sobre el pistón A es multiplicada en la misma relación, que la existente entre las áreas de los dos pistones. Este principio, de multiplicación de fuerza es empleado en el freno de los automóviles y en las prensas hidráulicas. Refiriéndonos nuevamente a la Fig. 3.5 vemos que la multiplicación de fuerzas se hace a expensas de sacrificar la carrera del cilindro B. El pistón A se mueve una distancia de 10 cm desplazando 100 cm³ (10 x l0). Esta cantidad de aceite mueve el pistón B solo 5 cm. La velocidad de la carrera se ha sacrificado. El pistón B se mueve 5 cm. en el mismo tiempo que el pistón A recorre 10 cm. En la figura 3.6 vemos una analogía mecánica al sistema hidráulico descrito. El producto de las fuerzas por las distancias debe ser igual en ambos sistemas de acuerdo a las leyes de la mecánica. En el extremo izquierdo 70 x 0,10 = 0,700 Kgm., en el extremo derecho 140 x 0,5 = 0,700 Kgm.
31 HIDRÁULICA Figura 3.6 Analogía de la mecánica Hidráulica Fuerza de flotación y Principio de Arquímedes Cualquier persona que esté familiarizada con la natación y otros deportes acuáticos ha observado que los objetos parecen perder peso cuando se sumergen en agua. En realidad, el objeto puede incluso flotar en la superficie debido a la presión hacia arriba ejercida por el agua.
32 HIDRÁULICA El agua brinda un soporte parcial a cualquier objeto dentro de ella. La fuerza hacia arriba que el fluido ejerce sobre el objeto sumergido recibe el nombre de fuerza de flotación. La magnitud de la fuerza de flotación siempre es igual al peso del fluido desplazado por el objeto. Un antiguo matemático griego, Arquímedes fue el primero que estudió el empuje vertical hacia arriba ejercido por los fluidos. Principio de Arquímedes Cualquier objeto sumergido completa o parcialmente en un fluido es empujado hacia arriba por una fuerza igual al peso del volumen del fluido desplazado por el cuerpo. Dinámica de fluidos Ahora hablaremos de fluidos en movimiento. Cuando un fluido se mueve, su flujo puede caracterizarse como uno de dos tipos principales. Se dice que el flujo será estable o laminar si cada partícula del fluido sigue una trayectoria uniforme, por lo que las trayectorias de diferentes partículas nunca se cruzan entre sí. Así, en el flujo estable, la velocidad del fluido en cualquier punto se mantiene constante en el tiempo. Arriba de cierta velocidad crítica, el flujo del fluido se vuelve no estable o turbulento. Éste es un flujo irregular caracterizado por pequeñas regiones similares a torbellinos. Ejemplo es el flujo del agua en una corriente, donde éste se vuelve turbulento en regiones donde hay rocas y otras obstrucciones, formando a menudo rápidos de “agua espumosa”. En general, el término viscosidad se emplea en el flujo de fluidos para caracterizar el grado de fricción interna en el fluido. Esta fricción interna o fuerza viscosa se asocia a la resistencia que presentan dos capas adyacentes del fluido a moverse una respecto de la otra. Por causa de la viscosidad, parte de la energía cinética de un fluido se convierte en energía térmica. Esto es similar al mecanismo por el cual un objeto pierde energía cinética cuando se desliza sobre una superficie horizontal rugosa. Debido a que el movimiento de un fluido real es complicado e incluso no comprendido del todo, hacemos algunas suposiciones simplificatorias en nuestro planteamiento. Vamos a hacer un modelo de un fluido ideal.
33 HIDRÁULICA Fluido no viscoso. En un fluido no viscoso no se toma en cuenta la fricción interna. Un objeto que se mueve a través de un fluido no experimenta fuerza viscosa. Flujo estable. En el flujo estable suponemos que la velocidad del fluido en cada punto permanece constante en el tiempo. Fluido incomprensible. La densidad de un fluido incomprensible se considera que permanecerá constante en el tiempo. Cuando un fluido está en movimiento, su flujo puede caracterizarse como uno de dos tipos principales: Fluido estable o laminar y fluido no estable o turbulento. Se dice que el flujo será laminar o estable si cada partícula del fluido sigue una trayectoria uniforme, por lo que las trayectorias de diferentes partículas no se cruzan entre sí. Si el flujo es constante la velocidad del fluido en cualquier punto se mantiene constante en el tiempo. la ecuación de continuidad es posible demostrarla utilizando el hecho que masa se conserva v1A1=v2A2. La cual señala que, en el caso de un fluido incompresible, el producto del área y de la velocidad del fluido en todos los puntos a lo largo del tubo, por donde se mueve el fluido, es una constante.
34 HIDRÁULICA 4.0. estructura de los sistemas hidráulicos NOTA: Los sistemas hidráulicos funcionan de la misma manera en todo tipo de maquinarias, grúas y montacargas. El principio fundamental es la recirculación del aceite en el Tanque, en este caso no se desperdicia como se hace en los sistemas Neumáticos. Las válvulas regularmente en la mayoría de los casos se son de 4 vías 3 posiciones para bloquear el flujo cuando se deje de accionar una palanca. Elementos de un circuito hidráulico En todo circuito hidráulico hay tres partes bien diferenciadas: El grupo generador de presión, el sistema de mando y el actuador. El grupo generador de presión es el órgano motor que transfiere la potencia al actuador para generar trabajo. La regulación de esta transmisión de potencia se realiza en el sistema de mando que está formado por una serie de válvulas limitadoras de caudal y de presión, distribuidoras, de bloqueo, etc.
35 HIDRÁULICA Cada elemento de una instalación hidráulica tiene unas determinadas características que es preciso conocer para deducir el funcionamiento de la instalación. Los elementos constitutivos del circuito hidráulico son: • Tanque o depósito de aceite. • Filtro • Bomba • Elementos de regulación y control • Actuadores • Redes de distribución Tanque hidráulico La principal función del tanque hidráulico es almacenar aceite, aunque no es la única. El tanque también debe eliminar el calor y separar el aire del aceite. Los tanques deben tener resistencia y capacidad adecuadas, y no deben dejar entrar la suciedad externa. Los tanques hidráulicos generalmente son herméticos. Bomba hidráulica Nos proporcionan una presión y caudal adecuado de líquido a la instalación. La bomba hidráulica convierte la energía mecánica en energía hidráulica. Es un dispositivo que toma energía de una fuente (un motor, un motor eléctrico, etc.) y la convierte a una forma de energía hidráulica. La bomba toma aceite o fluido hidráulico de un depósito de almacenamiento (un tanque) y lo envía como un flujo al sistema hidráulico. Todas las bombas producen flujo de aceite de igual forma. Se crea un vacío a la entrada de la bomba. La presión atmosférica, más alta, empuja el aceite a través del conducto de entrada a las cámaras de entrada de la bomba. Los engranajes de la bomba llevan el aceite a la cámara de salida de la bomba. El volumen de la cámara disminuye a medida que se acerca a la salida. Esta reducción del tamaño de la cámara empuja el aceite a la salida.
36 HIDRÁULICA Filtro Un filtro hidráulico es el componente principal del sistema de filtración de una máquina hidráulica, de lubricación o de engrase. Estos sistemas se emplean para el control de la contaminación por partículas sólidas de origen externo y las generadas internamente por procesos de desgaste o de erosión de las superficies de la maquinaria, permitiendo preservar la vida útil tanto de los componentes del equipo como del fluido hidráulico. Elementos de regulación y control Son los encargados de regular el paso del aceite desde las bombas a los elementos actuadores. Estos elementos, que se denominan válvulas, pueden ser activados de diversas formas: manualmente, por circuitos eléctricos, neumáticos, hidráulicos o mecánicos. La clasificación de estas válvulas se puede hacer en tres grandes grupos: de dirección, antirretorno y de presión y caudal. Actuadores Los actuadores transforman la energía de presión del aire comprimido o del aceite en energía mecánica, que será aplicada posteriormente para conseguir el efecto deseado. Según el tipo de movimiento, hay dos tipos de actuadores: Los cilindros: capaces de producir un movimiento rectilíneo Los motores: con los que se consigue un movimiento rotativo Red de distribución Debe garantizar la presión y velocidad del aceite en todos los puntos de uso. En las instalaciones oleo hidráulicas, al contrario de las neumáticas, es necesario un circuito de retomo de fluido, ya que este se vuelve a utilizar una y otra vez. El material utilizado suele ser acero o plástico reforzado y depende de su uso. Principio de funcionamiento de válvulas hidráulicas Tipos de Válvulas Se pueden agrupar en tres categorías:
37 HIDRÁULICA • Válvulas de Control de Dirección. - Controlan el recorrido del flujo por el sistema. • Válvulas de Control de Flujo. - Controlan la velocidad de flujo (caudal) por un circuito. • Válvulas de Control de Presión. - Limitan la presión máxima dentro de un circuito o mantienen una diferencia de presión deseada entre dos circuitos. Válvulas de Control de Dirección Proporcionan el medio principal para controlar la operación de los accionadores y otros componentes dirigiendo el caudal de aceite al circuito deseado. Hay tres tipos de válvulas de control de dirección: a) Válvula Selectora Controlan el funcionamiento de los accionadores y demás componentes de un sistema hidráulico, permitiendo que la válvula determine la dirección y cantidad de flujo de aceite. La mayor parte de las válvulas selectoras tienen un carrete que se desliza hacia delante y hacia atrás en la perforación de la válvula. El carrete tiene amplios diámetros, llamados resaltos, que pueden bloquear o abrir entradas y salidas. Algunos carretes tienen ranuras de lubricación alrededor de los resaltos gruesos en uno de los extremos del carrete cuya finalidad es atrapar el aceite. Esto hace que el carrete flote en una capa delgada de aceite, manteniéndolo centrado y más fácil de mover. Por lo general, el carrete está centrado en la válvula mediante resortes y puede ser movido manualmente o eléctricamente mediante solenoides. Los carretes de gran tamaño difíciles de operar manualmente, o situados en ubicaciones distantes, pueden ser accionados hidráulicamente. Las válvulas selectoras que controlan la operación de otras válvulas son llamadas válvulas piloto. Las válvulas selectoras generalmente tienen tres o más posiciones. Cada posición cambia el flujo de fluido hacia el accionador. Una válvula de centro abierto, permite el paso del aceite de suministro de retorno al tanque a través de su posición neutral. Una válvula de centro cerrado, bloquea el flujo proveniente de la bomba.
38 HIDRÁULICA b) Válvula de Retención (Check) Se puede clasificar tanto como válvula de control de flujo como válvula de control de dirección. El diseño más común consiste en un pistón, o una bola y un resorte. La válvula de retención se utiliza a menudo en combinación con otras válvulas. La presión ejercida del lado anterior a la válvula es suficiente para vencer la fuerza del resorte, empujando el pistón del asiento y permitiendo que pase flujo por la válvula. El fluido en sentido opuesto permite que la presión trabaje con el resorte, cerrando la válvula y bloqueando el flujo. Es posible que las válvulas de retención sean componentes independientes o pueden formar parte de una caja común con otras válvulas. c) Válvula Compensadora (Make - up) Una válvula compensadora es un tipo de válvula de retención que permite que el aceite de retorno fluya directamente hacia las tuberías del accionador cada vez que la presión de retorno sea mayor que la presión de entrada al accionador. Esto evita que los cilindros de las hojas o los cucharones se drenen con mayor rapidez de la que puede desarrollar la bomba para llenarlos. La válvula compensadora está compuesta por una válvula de retención y un resorte ligero. Cuando la presión de aceite disminuye aproximadamente 2 PSI por debajo de la presión de la tubería de retorno, la válvula se abre, dejando pasar el aceite hacia las tuberías. c.1. Válvula de Caída Rápida La válvula de caída rápida es una válvula compensadora más compleja, que se utiliza en algunos tractores de cadenas medianos y grandes. Está compuesta por una válvula de retención de dos piezas y un resorte, además de un orificio restrictor. La válvula está situada entre el cilindro y la válvula de control del implemento y está normalmente cerrada. Cuando se baja la hoja topadora sin resistencia, su peso hace que caiga más rápido de lo que la bomba puede llenar el extremo de cabeza del cilindro. Esto da lugar a presión de suministro menor. El orificio restrictor restringe el aceite de retorno procedente del extremo de varilla del cilindro, lo cual hace que la presión aumente. Esta presión actúa sobre el extremo de la válvula de retención desplazándola hacia la derecha. El aceite del extremo de varilla ahora puede entrar en el conducto de suministro del
39 HIDRÁULICA extremo de cabeza para unirse al aceite procedente de la bomba, evitando la cavitación en el cilindro. Válvulas de Control de Flujo Se utilizan a menudo para regular la velocidad del accionador, o para dividir el flujo entre 2 o más circuitos. Puede ser una válvula de compuerta sencilla o diferentes disposiciones dinámicas de válvulas accionadas por resorte. a) Una válvula de control de flujo en sí permite predeterminar el caudal máximo de aceite que puede penetrar en un circuito, desviando el exceso de aceite hacia otro circuito, o enviándolo de retorno al tanque. Consta de un orificio restrictor, una válvula de descarga y un resorte ligero. Esta válvula puede controlar el flujo con un alto grado de precisión. El orificio restrictor está diseñado para dejar pasar un caudal determinado a una presión diferencial determinada. A medida que el aceite fluye por el orificio restrictor, se crea una diferencia de presión. La presión mayor empuja hacia el lado de entrada de la válvula de descarga, pero la presión menor está ayudada por el resorte, lo que permite alcanzar una posición de equilibrio. b) Una válvula de control de flujo con carrete tiene un carrete que detecta la presión a ambos lados del orificio restrictor. La caída de presión que se produce de un lado al otro del orificio restrictor la controla un resorte. Al controlar esta caída, se controla el flujo máximo. El orificio puede ser del tipo fijo o variable. c) Una válvula divisora de flujo divide el caudal de aceite en cantidades iguales entre dos circuitos, independientemente de las cargas o restricciones. Válvulas de Control de Presión a. Válvulas de Alivio de Presión
40 HIDRÁULICA Se utilizan para limitar la presión máxima del sistema o del circuito y proteger los componentes del exceso de presión. Si la presión sobrepasa un nivel determinado, se abre la válvula de alivio, descargando aceite al tanque. Los tipos más comunes son: a.1. Válvula de Alivio Simple. Constan de un resorte y un carrete que se asienta sobre el conducto bloqueándolo. Cuando se llega a la presión máxima regulada por la válvula, la presión vence al resorte y el carrete se abre dejando pasar aceite hacia al tanque. No proporcionan un control preciso y hacen ruido a veces. a.2. Válvula de alivio accionada por servo-mando (pilotada). Además de los elementos de una válvula simple, cuenta también con una válvula adicional o piloto, más pequeña, con un resorte más débil, lo cual permite que la válvula se abra y se cierre ante fluctuaciones menores en el sistema. Esto elimina el ruido y permite un control más preciso. Al abrirse primero la válvula más pequeña, se produce una diferencia de presión en el segmento más grande, lo que hace que la válvula mayor se abra y deje pasar el aceite. a.3. Válvula de alivio a Pistón. En este caso existe un pistón pequeño, que es el que empuja el carrete, para hacer que se abra la válvula. a.4. Válvula Moduladora. Se utiliza para aumentar gradualmente la presión hasta un límite determinado. Se utiliza en transmisiones para que los cambios de velocidades se efectúen con suavidad. Está compuesta normalmente por un pistón de carga con su resorte, la válvula moduladora en sí y una disposición de orificio y válvula de retención. b. Válvulas de Reducción de Presión. Se utilizan cuando la demanda de presión de un circuito es menor que la presión de suministro. Básicamente consta de un pistón, un resorte y un carrete. La fuerza del resorte determina la máxima presión corriente debajo de la válvula. La válvula está normalmente abierta. A medida que el flujo pasa por el carrete, la presión aumenta
41 HIDRÁULICA corriente abajo. Al aumentar la presión en la cavidad del pistón, esta actúa contra el pistón y el carrete y comienza a cerrar la válvula hasta encontrar el equilibrio c. Válvulas de diferencia de Presión. Permite establecer una secuencia de suministro de aceite a dos circuitos, o mantener una diferencia de presión constante entre dos circuitos. Está compuesta por un carrete y un resorte. Inicialmente el carrete bloquea el flujo desde el circuito primario hacia el secundario. Una vez que se satisfacen los requisitos de flujo hacia el circuito primario, la presión aumenta, desplazando el carrete contra el resorte y permitiendo el flujo hacia el circuito secundario y la cámara del resorte. A medida que aumenta la presión secundaria, la válvula retrocede. La válvula constantemente ajustará su posición de forma que la presión en el circuito secundario iguale la presión en el primario menos la fuerza del resorte. Localización y solución de problemas y atención técnica para las válvulas. El rendimiento adecuado de cualquier sistema hidráulico depende de válvulas que funcionen correctamente. ¿Cómo fallan las válvulas? • Fugas internas y externas. • Roturas. • Desgaste y fatiga normales. • Atascamiento. ¿Por qué fallan las válvulas? • La contaminación hace que las válvulas se atasquen, tapona los orificios restrictores y ocasiona desgaste abrasivo entre las piezas de las válvulas. • El calor hace que las válvulas se atasquen debido a la acumulación de barniz y que se produzcan fallas por fatiga en los resortes. • Desgaste normal. • Montaje / ajuste inadecuado. • Falta del sello.
42 HIDRÁULICA Señales de falla • Control errátil del implemento. • Desempeño deficiente de la máquina. • Fugas visibles. Opciones de Servicio • Desarmar y limpiar. • Reemplazar las piezas. • Carretes. • Resortes. • Sellos. • Cuerpo. • Ajustar la válvula. • Reemplace el conjunto completo de la válvula
43 HIDRÁULICA Clasificación de las válvulas hidráulicas
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45 HIDRÁULICA Válvulas Hidráulicas de la industria de los Montacargas Cilindros hidráulicos En los sistemas hidráulicos y neumáticos la energía es transmitida a través de tuberías. Esta energía es función del caudal y presión del aire o aceite que circula en el sistema. El cilindro es el dispositivo más comúnmente utilizado para conversión de la energía antes mencionada en energía mecánica.
46 HIDRÁULICA La presión del fluido determina la fuerza de empuje de un cilindro, el caudal de ese fluido es quien establece la velocidad de desplazamiento del mismo. La combinación de fuerza y recorrido produce trabajo, y cuando este trabajo es realizado en un determinado tiempo produce potencia. Ocasionalmente a los cilindros se los llama "motores lineales". En la figura 7.1, vemos un corte esquemático de un cilindro típico. Este es denominado de doble efecto por que realiza ambas carreras por la acción del fluido. Las partes de trabajo esenciales son: 1) La camisa cilíndrica encerrada entre dos cabezales, 2) El pistón con sus guarniciones, 3) El vástago con su buje y guarnición. Figura 5.1 Cilindro hidráulico Cálculo de la Fuerza de Empuje. Las figuras 5.2A y 5.2B son vistas en corte de un pistón y vástago trabajando dentro de la camisa de un cilindro. El fluido actuando sobre la cara anterior o posterior del pistón provoca el desplazamiento de este a lo largo de la camisa y transmite su movimiento hacia afuera a través del vástago. El desplazamiento hacia adelante y atrás del cilindro se llama "carrera". La carrera de empuje se observa en la, Fig.5.2A y la de tracción o retracción en la Fig. 5.2B.
47 HIDRÁULICA La presión ejercida por el aire comprimido o el fluido hidráulico sobre el pistón se manifiesta sobre cada unidad de superficie del mismo como se ilustra en la figura Figura 5.12a fuerza de empuje Figura 5.12b fuerza de retroceso Si nuestro manómetro indica en Kg. /cm2, la regla para hallar la fuerza total de empuje de un determinado cilindro es: "El empuje es igual a la presión manométrica multiplicada por la superficie total del pistón", o: F (Kg.) = P (Kg. /cm2) x A (cm2) Figura 5.3 sección del área ¿Qué sobre dimensionamiento es necesario? Esto depende de muchos factores, se sugiere aplicar la siguiente regla para usos generales: Cuando la velocidad de desplazamiento no es importante, seleccione un cilindro con una fuerza de empuje en 25% superior a lo necesario para altas velocidades sobredimensione en un 100%.
48 HIDRÁULICA Velocidad de un Cilindro. La velocidad de desplazamiento de un cilindro hidráulico es fácil de calcular si se emplea una bomba de desplazamiento positivo. En la figura 5.4 mostramos un ejemplo típico, con un caudal de 40 litros por minuto ingresando al cilindro. El área del pistón es de 78 cm², para encontrar la velocidad de desplazamiento primero convertiremos los litros en cm³ por minuto, es decir: 40 x 1000 = 40.000 cm³/min. Luego dividimos este valor por el área del pistón obteniendo la velocidad: Figura 5.4 Calculo de la velocidad de un cilindro Tipos de cilindros. El cilindro de doble efecto mostrado en la figura 5.5 constituye la conformación más corriente de los cilindros hidráulicos y neumáticos, sin embargo, para aplicaciones especiales existen variaciones cuyo principio de funcionamiento es idéntico al que hemos descrito La figura 5.5 nos ilustra un cilindro de doble vástago. Esta configuración es deseable cuando se necesita que el desplazamiento volumétrico o la fuerza sean iguales en ambos sentidos.