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HIDRÁULICA BÁSICA 3 Contents Introducción al Manual de Hidráulica:.............................................................................. 5 Objetivo del Manual de Hidráulica: .................................................................................. 6 Introducción a la Hidráulica: ............................................................................................ 6 1.1 Características de la Hidráulica:............................................................................. 7 1.2 Uso de la Tecnología Hidráulica: ........................................................................... 8 1.3 Principios Básicos de la Hidráulica: ....................................................................... 8 Componentes Básicos del Sistema Hidráulico: ............................................................... 9 2.1 Depósito Hidráulico: ............................................................................................. 10 2.2 Acumulador Hidráulico: ........................................................................................ 10 2.3 Cilindros Hidráulicos: ........................................................................................... 11 2.3.1 Clasificación de los Cilindros Hidráulicos: ..................................................... 11 2.3.2 Tipos de Cilindros Hidráulicos: ...................................................................... 12 2.3.3 Símbolos de Cilindros Hidráulicos: ................................................................ 13 Válvulas Hidráulicas: ..................................................................................................... 13 3.1 Simbología y Nomenclatura de las Válvulas: ....................................................... 13 3.2 Válvulas 2/2, 3/2, 4/2, 5/2, 4/3, 5/3:...................................................................... 13 3.3 Válvulas de Presión, Antirretorno y de Flujo: ....................................................... 14 3.4 Funcionamiento e Instalación de Válvulas de Cartucho:...................................... 14 Bombas Hidráulicas:...................................................................................................... 15 4.1 Tipos de Bombas Hidráulicas:.............................................................................. 15 4.2 Simbología de Bombas Hidráulicas: .................................................................... 16 4.3 Clasificación de Bombas Hidráulicas: .................................................................. 16 4.3.1 Bombas No Volumétricas: ............................................................................. 17 4.3.2 Bombas Manuales:........................................................................................ 17 4.3.3 Bombas de Paletas:....................................................................................... 18 4.3.4 Bombas de Engranajes Internos: .................................................................. 19 4.3.5 Bombas de Engranajes Exteriores: ............................................................... 19 4.3.6 Bombas de Tornillo:....................................................................................... 20 4.3.7 Bombas Lobulares:........................................................................................ 20 Fluido Hidráulico:........................................................................................................... 21 5.1 Propiedades del Fluido Hidráulico:....................................................................... 21 5.2 Selección y Cuidado del Fluido Hidráulico: .......................................................... 22 5.3 Intercambiador de Calor en Sistemas Hidráulicos: .............................................. 22
HIDRÁULICA BÁSICA 4 Cálculos de Fuerza y Presión:....................................................................................... 24 6.1 Ley de Pascal:...................................................................................................... 24 6.2 Teorema de Bernoulli:.......................................................................................... 24 6.3 Cálculo de Fuerza en Cilindros Hidráulicos:......................................................... 25 6.4 Cálculo de Presión en el Sistema Hidráulico:....................................................... 25 6.5 Cálculo de Gasto y Velocidad del Fluido Hidráulico:............................................ 25 6.6 Golpe de ariete:.................................................................................................... 26 Simulación con Festo FluidSIM: .................................................................................... 29 7.1 Introducción a Festo FluidSIM:............................................................................. 29 7.2 Creación de Circuitos Hidráulicos: ....................................................................... 29 Interpretación de los diagramas de fase .................................................................... 30 7.3 Simulación y Análisis de Circuitos Hidráulicos: .................................................... 30 BIBLIOGRAFÍA.............................................................................................................. 37
HIDRÁULICA BÁSICA 5 Introducción al Manual de Hidráulica: El presente manual ha sido diseñado como una guía práctica y completa para aquellos interesados en adquirir conocimientos sobre hidráulica. Desde los conceptos básicos hasta temas más avanzados, este manual proporciona información detallada sobre los fundamentos, componentes y aplicaciones de los sistemas hidráulicos. El estudio de la hidráulica es de vital importancia en diversos sectores industriales, como la maquinaria pesada, la industria automotriz, la construcción y la manufactura. Comprender cómo funcionan los sistemas hidráulicos y cómo utilizarlos eficientemente es fundamental para maximizar la productividad y garantizar la seguridad en dichos sectores. En este manual, comenzaremos con una introducción a la hidráulica, donde exploraremos las características y el uso de la tecnología hidráulica, así como los principios básicos que rigen su funcionamiento. A continuación, nos adentraremos en los componentes básicos del sistema hidráulico, como el depósito y el acumulador hidráulico, así como los diferentes tipos de cilindros hidráulicos y sus clasificaciones. Posteriormente, nos enfocaremos en las válvulas hidráulicas, su simbología, tipos y funcionamiento, así como en la instalación de las válvulas de cartucho. Luego, exploraremos los diferentes tipos de bombas hidráulicas, su simbología y clasificación, desde las bombas de paletas hasta las bombas lobulares. En la sección de fluido hidráulico, analizaremos las propiedades del fluido, su selección y cuidado, así como la importancia de los intercambiadores de calor en los sistemas hidráulicos. Además, abordaremos los cálculos de fuerza, presión, gasto y velocidad del fluido hidráulico, lo que permitirá comprender cómo realizar análisis y dimensionamiento adecuados para los sistemas hidráulicos. Por último, presentaremos una sección sobre la simulación con Festo FluidSIM, una herramienta poderosa que permite diseñar, crear y analizar circuitos hidráulicos de manera virtual, brindando una experiencia práctica para el aprendizaje y la resolución de problemas. Esperamos que este manual sea una herramienta útil y completa para aquellos que deseen aprender sobre hidráulica, ya sea como estudiantes, profesionales en el campo o entusiastas de la tecnología hidráulica. A través de su estudio, podrán adquirir los conocimientos necesarios para comprender, diseñar y mantener sistemas hidráulicos eficientes y confiables.
HIDRÁULICA BÁSICA 6 Objetivo del Manual de Hidráulica: El objetivo general de este manual es proporcionar a los lectores una comprensión completa y práctica de los conceptos, componentes y aplicaciones de los sistemas hidráulicos. El manual tiene como objetivo capacitar a los lectores para: Comprender los principios básicos de la hidráulica y las características de la tecnología hidráulica. Identificar y comprender los componentes básicos de un sistema hidráulico, como depósitos, acumuladores, cilindros y válvulas hidráulicas. Realizar cálculos precisos de fuerza, presión, gasto y velocidad en sistemas hidráulicos. Familiarizarse con los diferentes tipos de bombas hidráulicas y su clasificación. Conocer las propiedades del fluido hidráulico, su selección adecuada y el mantenimiento óptimo. Utilizar herramientas de simulación, como Festo FluidSIM, para diseñar, crear y analizar circuitos hidráulicos. Aplicar los conocimientos adquiridos en la solución de problemas y en la optimización de sistemas hidráulicos. Desarrollar habilidades prácticas en el diseño, operación y mantenimiento de sistemas hidráulicos eficientes y confiables. En general, el objetivo es capacitar a los lectores para comprender, utilizar y mantener sistemas hidráulicos de manera efectiva y segura, tanto en el ámbito industrial como en el académico. Se busca proporcionar una base sólida en hidráulica que permita a los lectores aplicar estos conocimientos en una amplia gama de aplicaciones y contextos. Introducción a la Hidráulica: La hidráulica es una rama de la ciencia y la ingeniería que se ocupa del estudio y control de los fluidos, especialmente en relación con la transmisión de fuerza y energía. Es una tecnología ampliamente utilizada en diversos sectores industriales y de ingeniería, como la maquinaria pesada, la construcción, la aeronáutica y la automatización industrial. La hidráulica se basa en el principio de Pascal, que establece que cualquier cambio de presión aplicado a un fluido incompresible se transmite de manera uniforme en todas las direcciones. Esto permite que la energía hidráulica sea aprovechada para realizar trabajos mecánicos, mediante la utilización de sistemas compuestos por diferentes componentes, como bombas, válvulas, cilindros y tuberías.
HIDRÁULICA BÁSICA 7 Una de las características distintivas de la hidráulica es su capacidad para generar una gran cantidad de fuerza con dimensiones y pesos relativamente pequeños en comparación con otros sistemas de transmisión de energía. Esto hace que los sistemas hidráulicos sean eficientes y versátiles en aplicaciones que requieren movimientos lineales, rotativos o de elevación. En este manual, exploraremos los conceptos básicos de la hidráulica, desde los principios fundamentales hasta los componentes esenciales de los sistemas hidráulicos. Aprenderemos sobre el funcionamiento de los cilindros hidráulicos, las válvulas de control, las bombas y otros elementos clave. También nos adentraremos en el cálculo de fuerza, presión y caudal, así como en la selección y cuidado adecuado del fluido hidráulico. A medida que avancemos en este manual, descubriremos cómo los sistemas hidráulicos son utilizados en una amplia gama de aplicaciones prácticas, desde la elevación y manipulación de cargas pesadas hasta el control de maquinaria industrial. Además, exploraremos la simulación con Festo FluidSIM, una herramienta que nos permitirá diseñar y analizar circuitos hidráulicos de manera virtual. Esperamos que este manual sea una valiosa herramienta para aquellos que deseen aprender sobre la hidráulica y su aplicación en diferentes campos. A través de este estudio, podrán adquirir los conocimientos necesarios para comprender, diseñar y mantener sistemas hidráulicos eficientes y confiables. ¡Comencemos este fascinante viaje en el mundo de la hidráulica! 1.1 Características de la Hidráulica: La hidráulica se basa en algunas características clave que la distinguen y la hacen ampliamente utilizada en numerosas aplicaciones: Transmisión de fuerza: Los fluidos incompresibles, como los líquidos, transmiten la fuerza a través de ellos de manera eficiente, permitiendo generar grandes fuerzas en componentes hidráulicos. Multiplicación de la fuerza: Gracias al principio de Pascal, que establece que un cambio de presión en un fluido se transmite de manera uniforme en todas las direcciones, es posible multiplicar la fuerza aplicada en un punto mediante la utilización de pistones y cilindros hidráulicos. Precisión y control: La hidráulica permite un control preciso y gradual del movimiento y la velocidad en los actuadores, lo que la hace ideal para aplicaciones que requieren movimientos suaves y precisos.
HIDRÁULICA BÁSICA 8 Resistencia a la compresión: Los líquidos son prácticamente incompresibles, lo que significa que no se reducen significativamente en volumen bajo presión, permitiendo una mayor estabilidad y consistencia en el funcionamiento de los sistemas hidráulicos. 1.2 Uso de la Tecnología Hidráulica: La tecnología hidráulica se utiliza en una amplia gama de aplicaciones y sectores industriales. Algunos ejemplos de su uso son: Maquinaria pesada: La hidráulica se utiliza en maquinaria como excavadoras, grúas y retroexcavadoras para realizar movimientos precisos y potentes. Industria automotriz: Los sistemas de frenos hidráulicos y la dirección asistida son ejemplos de aplicaciones hidráulicas en vehículos. Aviación: La hidráulica se utiliza en sistemas de control de vuelo, trenes de aterrizaje y frenos en aeronaves. Industria manufacturera: Los sistemas de prensado, elevación y manipulación de cargas pesadas se basan en la tecnología hidráulica para generar fuerzas y movimientos controlados. Energía hidroeléctrica: La generación de energía a través de centrales hidroeléctricas utiliza sistemas hidráulicos para controlar el flujo de agua y generar electricidad. 1.3 Principios Básicos de la Hidráulica: La hidráulica se rige por algunos principios fundamentales que son necesarios para comprender su funcionamiento: Ley de Pascal: Esta ley establece que cualquier cambio de presión en un fluido confinado se transmite de manera uniforme en todas las direcciones. Esto permite la multiplicación de la fuerza aplicada en un punto a través de la utilización de cilindros hidráulicos. Principio de Arquímedes: Según este principio, un cuerpo sumergido en un fluido experimenta una fuerza ascendente igual al peso del fluido desplazado. Esto es importante en aplicaciones como la flotación y el cálculo de fuerzas en cilindros hidráulicos sumergidos.
HIDRÁULICA BÁSICA 9 Ley de Bernoulli: Esta ley establece que, en un flujo de fluido constante, la presión y la velocidad del fluido están inversamente relacionadas. Es relevante para comprender el flujo de fluidos a través de tuberías y conductos en sistemas hidráulicos. Ley de Continuidad: Esta ley indica que el caudal de un fluido incompresible se mantiene constante a lo largo de un conducto, lo que implica que el área de la sección transversal y la velocidad del fluido están inversamente relacionadas. Estos principios básicos son fundamentales para comprender el comportamiento de los fluidos en sistemas hidráulicos y son la base de su funcionamiento. Componentes Básicos del Sistema Hidráulico: El sistema hidráulico se compone de diversos componentes que trabajan en conjunto para generar, controlar y transmitir la energía hidráulica. Los componentes básicos del sistema hidráulico incluyen:
HIDRÁULICA BÁSICA 10 2.1 Depósito Hidráulico: El depósito o tanque hidráulico es el recipiente que almacena el fluido hidráulico utilizado en el sistema. Su función principal es proporcionar un suministro de fluido para el sistema y actuar como un reservorio para compensar las variaciones de volumen debido a los cambios de temperatura y el movimiento de los componentes. 2.2 Acumulador Hidráulico: El acumulador hidráulico es un dispositivo utilizado para almacenar energía en forma de fluido comprimido. Se utiliza para proporcionar un suministro adicional de fluido a alta presión en momentos de alta demanda, absorber impactos o pulsaciones en el sistema y proporcionar energía de emergencia en caso de fallo del suministro principal.
HIDRÁULICA BÁSICA 11 2.3 Cilindros Hidráulicos: Los cilindros hidráulicos son dispositivos utilizados para generar fuerza lineal a través de la presión hidráulica. Están compuestos por un cilindro y un pistón móvil en su interior. Cuando se aplica presión al fluido en el cilindro, el pistón se mueve, generando una fuerza que se puede utilizar para levantar, empujar o mover objetos. 2.3.1 Clasificación de los Cilindros Hidráulicos:
HIDRÁULICA BÁSICA 12 Los cilindros hidráulicos se clasifican según su diseño y funcionalidad. Algunas de las clasificaciones comunes son: Cilindros de Simple Efecto: Estos cilindros solo tienen un movimiento unidireccional, es decir, aplican fuerza en una dirección y se retraen mediante una fuerza externa, como un resorte o la gravedad. Cilindros de Doble Efecto: Estos cilindros pueden aplicar fuerza en ambas direcciones, tanto en la carrera de avance como en la de retroceso, utilizando el flujo de fluido en ambas direcciones. Cilindros Telescópicos: Estos cilindros constan de varios segmentos telescópicos, lo que les permite tener una carrera más larga en comparación con su longitud retraída. Cilindros de Doble Vástago: Estos cilindros tienen un vástago en cada extremo del cilindro, lo que les permite generar fuerza en ambas direcciones. 2.3.2 Tipos de Cilindros Hidráulicos: Además de la clasificación mencionada, existen otros tipos de cilindros hidráulicos que se utilizan en diversas aplicaciones, como los cilindros de amortiguación, cilindros diferenciales, cilindros de giro, cilindros tándem, entre otros. Cada tipo tiene
HIDRÁULICA BÁSICA 13 características y capacidades específicas que los hacen adecuados para diferentes usos. 2.3.3 Símbolos de Cilindros Hidráulicos: En la simbología hidráulica, se utilizan símbolos gráficos para representar los componentes del sistema. Los cilindros hidráulicos se representan con símbolos específicos que indican su tipo, dirección de movimiento, posición de reposo, entre otros detalles relevantes para el diseño y análisis de circuitos hidráulicos. Estos componentes básicos del sistema hidráulico son esenciales para su funcionamiento. Comprender sus características y clasificaciones es fundamental para diseñar y mantener sistemas hidráulicos eficientes y seguros. Válvulas Hidráulicas: Las válvulas hidráulicas son componentes clave en los sistemas hidráulicos, utilizadas para controlar el flujo de fluido, la presión y la dirección del movimiento. A continuación, se describen los temas relacionados con las válvulas hidráulicas: 3.1 Simbología y Nomenclatura de las Válvulas: La simbología y nomenclatura de las válvulas hidráulicas se utiliza para representar gráficamente estos componentes en los diagramas y circuitos hidráulicos. Se emplean símbolos específicos para indicar el tipo de válvula, su posición de reposo, dirección de flujo y otros atributos importantes. 3.2 Válvulas 2/2, 3/2, 4/2, 5/2, 4/3, 5/3:
HIDRÁULICA BÁSICA 14 Las válvulas se clasifican según la cantidad de vías y posiciones que tienen. Los números en la nomenclatura indican la cantidad de vías y las posiciones de la válvula. Por ejemplo, una válvula 3/2 tiene tres vías y dos posiciones, mientras que una válvula 5/3 tiene cinco vías y tres posiciones. Es importante comprender estas clasificaciones para seleccionar y utilizar las válvulas adecuadas para cada aplicación. 3.3 Válvulas de Presión, Antirretorno y de Flujo: Las válvulas hidráulicas se utilizan para diversos propósitos. Algunos tipos comunes de válvulas incluyen: Válvulas de Presión: Estas válvulas controlan y limitan la presión en un sistema hidráulico, asegurando que no se exceda un límite predefinido. Válvulas Antirretorno: También conocidas como válvulas de retención o válvulas unidireccionales, permiten el flujo de fluido en una dirección mientras evitan el retroceso o flujo en la dirección opuesta. Válvulas de Flujo: Estas válvulas controlan la cantidad de flujo de fluido en un sistema hidráulico, regulando su caudal y velocidad. 3.4 Funcionamiento e Instalación de Válvulas de Cartucho:
HIDRÁULICA BÁSICA 15 Las válvulas de cartucho son componentes modulares utilizados en sistemas hidráulicos. Se pueden instalar en bloques de válvulas y permiten una fácil sustitución y mantenimiento. Comprender el funcionamiento y la instalación de estas válvulas es esencial para su correcta utilización en el diseño y la construcción de sistemas hidráulicos. Estos temas proporcionan una base sólida para comprender los diferentes tipos y usos de las válvulas hidráulicas. Es importante conocer su simbología, clasificación y funcionamiento para diseñar y mantener sistemas hidráulicos eficientes y seguros. Bombas Hidráulicas: Las bombas hidráulicas son dispositivos utilizados para generar el flujo de fluido en un sistema hidráulico, proporcionando la presión necesaria para transmitir la energía hidráulica. A continuación, se describen los temas relacionados con las bombas hidráulicas: 4.1 Tipos de Bombas Hidráulicas: Existen varios tipos de bombas hidráulicas, cada una con su propio principio de funcionamiento y aplicaciones específicas. Algunos tipos comunes incluyen: Bombas de Desplazamiento Positivo: Estas bombas generan un flujo constante de fluido al desplazar un volumen específico en cada ciclo. Ejemplos de bombas de desplazamiento positivo son las bombas de paletas, de pistones y de engranajes. Bombas de Desplazamiento No Positivo: Estas bombas generan un flujo variable de fluido, dependiendo de la resistencia del sistema. Ejemplos de bombas de desplazamiento no positivo son las bombas centrífugas y las bombas axiales.
HIDRÁULICA BÁSICA 16 4.2 Simbología de Bombas Hidráulicas: La simbología de las bombas hidráulicas se utiliza para representar gráficamente estos componentes en los diagramas y circuitos hidráulicos. Se emplean símbolos específicos que indican el tipo de bomba y su dirección de flujo. 4.3 Clasificación de Bombas Hidráulicas: Las bombas hidráulicas se pueden clasificar de diversas formas. Algunas clasificaciones comunes son:
HIDRÁULICA BÁSICA 17 4.3.1 Bombas No Volumétricas: Estas bombas no generan un flujo constante y dependen de la resistencia del sistema para determinar la cantidad de flujo. Ejemplos de bombas no volumétricas son las bombas centrífugas y las bombas axiales. 4.3.2 Bombas Manuales: Las bombas manuales son accionadas manualmente y se utilizan en situaciones donde se requiere una presión hidráulica limitada o en lugares donde no hay acceso a una fuente de energía eléctrica o mecánica.
HIDRÁULICA BÁSICA 18 4.3.3 Bombas de Paletas: Las bombas de paletas utilizan paletas deslizantes o giratorias para generar el flujo de fluido al desplazar el volumen entre las paletas y la carcasa de la bomba.
HIDRÁULICA BÁSICA 19 4.3.4 Bombas de Engranajes Internos: Estas bombas utilizan un par de engranajes internos para generar el flujo de fluido. El engranaje impulsor y el engranaje conducido se entrelazan y crean espacios de volumen variable para generar el flujo. 4.3.5 Bombas de Engranajes Exteriores: Las bombas de engranajes exteriores utilizan un par de engranajes exteriores para generar el flujo de fluido. El engranaje impulsor y el engranaje conducido se entrelazan y generan el flujo a medida que los dientes de los engranajes se acoplan y se desacoplan.
HIDRÁULICA BÁSICA 20 4.3.6 Bombas de Tornillo: Las bombas de tornillo utilizan rotores helicoidales para generar el flujo de fluido al desplazar el fluido a lo largo del eje del tornillo. 4.3.7 Bombas Lobulares: Las bombas lobulares utilizan rotores con lóbulos para generar el flujo de fluido al desplazarlo a través de los espacios entre los lóbulos y la carcasa de la bomba.
HIDRÁULICA BÁSICA 21 Estos temas proporcionan información sobre los diferentes tipos de bombas hidráulicas, su simbología y clasificaciones. Comprender estos aspectos es esencial para seleccionar y utilizar la bomba adecuada para cada aplicación en un sistema hidráulico. Fluido Hidráulico: El fluido hidráulico es un elemento crucial en los sistemas hidráulicos, ya que transmite la energía hidráulica y lubrica los componentes en movimiento. A continuación, se describen los temas relacionados con el fluido hidráulico: 5.1 Propiedades del Fluido Hidráulico: El fluido hidráulico posee propiedades específicas que le permiten funcionar de manera efectiva en los sistemas hidráulicos. Algunas de estas propiedades incluyen:
HIDRÁULICA BÁSICA 22 Viscosidad: La viscosidad es la resistencia interna al flujo del fluido. Un fluido hidráulico adecuado debe tener una viscosidad que se ajuste a las necesidades del sistema y las condiciones de operación. Estabilidad térmica: Un buen fluido hidráulico debe ser capaz de resistir cambios de temperatura sin sufrir degradación significativa en sus propiedades. Resistencia a la oxidación: Los fluidos hidráulicos deben tener una buena resistencia a la oxidación para evitar la formación de sedimentos y lodos que puedan obstruir los componentes del sistema. Compatibilidad con los sellos y juntas: Es importante que el fluido hidráulico sea compatible con los materiales de los sellos y juntas utilizados en el sistema, evitando daños y fugas. Propiedades de lubricación: El fluido hidráulico debe proporcionar una buena lubricación para los componentes en movimiento, reduciendo el desgaste y la fricción. 5.2 Selección y Cuidado del Fluido Hidráulico: La selección adecuada del fluido hidráulico es esencial para el rendimiento y la durabilidad del sistema hidráulico. Algunos aspectos a considerar en la selección y cuidado del fluido hidráulico incluyen: equisitos del sistema: Es necesario considerar los requisitos específicos del sistema, como la presión, temperatura de funcionamiento, capacidad de carga y tipo de componentes, al seleccionar el fluido hidráulico adecuado. Cambio y mantenimiento: Es importante seguir las recomendaciones del fabricante en cuanto a los intervalos de cambio y mantenimiento del fluido hidráulico, incluyendo la filtración y la eliminación adecuada del fluido usado. ontaminación y filtración: La contaminación del fluido hidráulico puede afectar el rendimiento del sistema. La instalación de sistemas de filtración adecuados ayudará a mantener el fluido limpio y libre de partículas indeseables. 5.3 Intercambiador de Calor en Sistemas Hidráulicos: Los sistemas hidráulicos pueden generar calor debido a la energía que se disipa durante su funcionamiento. Los intercambiadores de calor se utilizan para controlar y regular la temperatura del fluido hidráulico. Estos dispositivos permiten el intercambio de calor entre el fluido hidráulico y un medio de enfriamiento externo, evitando el sobrecalentamiento del sistema. Comprender las propiedades del fluido hidráulico, su selección adecuada y el cuidado del mismo, así como la importancia de los intercambiadores de calor en los sistemas hidráulicos, es esencial para garantizar un funcionamiento eficiente y confiable del sistema hidráulico.
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HIDRÁULICA BÁSICA 24 Cálculos de Fuerza y Presión: En los sistemas hidráulicos, es importante poder realizar cálculos precisos relacionados con la fuerza, la presión y otros parámetros relevantes. A continuación, se describen los temas relacionados con los cálculos de fuerza y presión: 6.1 Ley de Pascal: La ley de Pascal establece que cualquier cambio de presión aplicado a un fluido incompresible se transmite de manera uniforme en todas las direcciones. Esta ley es fundamental para comprender cómo se generan y se transmiten las fuerzas en los sistemas hidráulicos. 6.2 Teorema de Bernoulli: El teorema de Bernoulli describe la relación entre la velocidad, la presión y la altura de un fluido en un flujo constante. Es útil para analizar el flujo de fluido en tuberías y conductos, y permite calcular la presión en diferentes puntos del sistema.
HIDRÁULICA BÁSICA 25 6.3 Cálculo de Fuerza en Cilindros Hidráulicos: Para calcular la fuerza generada por un cilindro hidráulico, se utiliza la fórmula básica de la fuerza, que es la multiplicación de la presión aplicada por el área del pistón. Conocer la presión de trabajo y el diámetro del pistón permitirá calcular la fuerza resultante. 6.4 Cálculo de Presión en el Sistema Hidráulico: El cálculo de la presión en el sistema hidráulico implica considerar varios factores, como la fuerza aplicada, el área de la superficie sobre la cual se aplica la fuerza y la resistencia del sistema. Usando la ley de Pascal y las ecuaciones adecuadas, se puede determinar la presión en diferentes puntos del sistema. 6.5 Cálculo de Gasto y Velocidad del Fluido Hidráulico: El gasto y la velocidad del fluido hidráulico están relacionados entre sí. El gasto se refiere al volumen de fluido que fluye a través de un punto en un sistema hidráulico en un determinado período de tiempo. La velocidad se calcula dividiendo el gasto por el área de la sección transversal del conducto. Dónde: m = masa (kg) ρ = densidad del líquido (kg/m³) V = volumen (m³) G = gasto (m³/s) t = tiempo (s) F = flujo (kg/s)
HIDRÁULICA BÁSICA 26 Ejemplo: ¿Cuál es el flujo de una tubería por la que fluyen 3.5 m³ de agua en 40 s? Solución: Lo primero que haremos será colocar nuestros datos, pero teniendo en cuenta que, al ser agua, entonces tendremos que considerar su densidad: V = 3.5 m³ (es el agua que fluye) t = 40 s F = ? ρ(agua) = 1000 kg/m³ La fórmula que usaremos, será la siguiente: Sustituyendo datos en nuestra fórmula: Resultado: El flujo será de 87.5 kg/s Realizar estos cálculos de fuerza, presión, gasto y velocidad es esencial para el diseño, la selección y el funcionamiento eficiente de los sistemas hidráulicos. Estos cálculos permiten comprender y predecir el comportamiento del fluido y los componentes del sistema. 6.6 Golpe de ariete: El golpe de ariete, también conocido como golpe de ariete hidráulico, es un fenómeno que ocurre en sistemas de tuberías cuando se produce un cambio repentino en el flujo de un líquido, como el agua. Este cambio provoca variaciones rápidas en la presión del fluido, generando una serie de pulsaciones o golpes. Estos golpes de presión pueden tener efectos perjudiciales en las tuberías y los equipos asociados. Pueden causar daños estructurales, fisuras, fugas e incluso la ruptura de componentes del sistema. Además, el golpe de ariete puede generar ruido y vibraciones molestas. Para prevenir o minimizar el impacto del golpe de ariete, es necesario aplicar técnicas de diseño y dispositivos de control adecuados. Algunas medidas comunes incluyen el uso de válvulas de alivio de presión, amortiguadores hidráulicos, tanques de expansión, tuberías flexibles y sistemas de válvulas de cierre gradual. El estudio y análisis del golpe de ariete son fundamentales en la ingeniería hidráulica y en el diseño de sistemas de tuberías. Se busca evitar los efectos negativos mediante la implementación de estrategias de mitigación y asegurar un funcionamiento seguro y eficiente del sistema hidráulico.
HIDRÁULICA BÁSICA 27 La fórmula para calcular el golpe de ariete en un sistema hidráulico depende de varios factores y puede variar según la configuración específica del sistema. A continuación, te presento la fórmula básica utilizada para estimar el golpe de ariete en tuberías: P = ρ * g * h Donde: P: Presión máxima del golpe de ariete (en Pascal o libras por pulgada cuadrada, dependiendo del sistema de unidades utilizado). ρ: Densidad del fluido (en kilogramos por metro cúbico). g: Aceleración debido a la gravedad (en metros por segundo cuadrado). h: Altura efectiva de la columna de fluido que genera el golpe de ariete (en metros). Ejemplo: cálculo del golpe de ariete utilizando la fórmula básica: Supongamos que tenemos un sistema hidráulico en el que se produce un cambio abrupto en el flujo de aceite debido al cierre rápido de una válvula. Queremos calcular el golpe de ariete resultante. Datos: • Densidad del agua (ρ): 1000 kg/m³ • Aceleración debido a la gravedad (g): 9.8 m/s² • Altura efectiva de la columna de agua (h): 5 metros Aplicamos la fórmula: P = ρ * g * h P = 1000 kg/m³ * 9.8 m/s² * 5 m P ≈ 49,000 Pascal (Pa) El golpe de ariete resultante en este ejemplo sería de aproximadamente 49,000 Pascal, que es la presión adicional generada por el cambio rápido en el flujo del liquido. Recuerda que esta es una estimación básica utilizando la fórmula general. Para un cálculo más preciso y considerando las características específicas del sistema, se recomienda utilizar herramientas de análisis hidráulico más avanzadas. Es importante destacar que esta fórmula básica no considera todos los factores y características del sistema, por lo que se recomienda consultar literatura especializada o utilizar herramientas de software específicas para un análisis más detallado y preciso del golpe de ariete en un sistema hidráulico particular.
HIDRÁULICA BÁSICA 28 Ejemplo: ΔP = ρ * (V2^2 - V1^2) / 2 + ρ * g * (h2 - h1) + ρ * g * K Donde: ΔP: Cambio de presión debido al golpe de ariete (Pascal) ρ: Densidad del fluido (kg/m³) V1: Velocidad del flujo antes del golpe de ariete (m/s) V2: Velocidad del flujo después del golpe de ariete (m/s) g: Aceleración debido a la gravedad (m/s²) h1: Altura antes del golpe de ariete (metros) h2: Altura después del golpe de ariete (metros) K: Factor de resistencia adicional debido a características del sistema Ahora sustituiremos los valores proporcionados: • Diámetro de la tubería: 2 pulgadas (0.0508 metros) • Presión inicial: 103 bares (10,300,000 Pascales) • Velocidad del flujo: 2 metros por segundo • Longitud de la tubería: 3 metros • Altura de elevación: 3 metros • Radio de la curva: 6 pulgadas (0.1524 metros) • Tiempo de cierre de la válvula: 0.1 segundos Para este ejemplo, asumamos que la densidad del fluido es de 1000 kg/m³ y que el factor de resistencia K es 0 (sin considerar resistencias adicionales). Calcularemos el cambio de presión, ΔP: ΔP = 1000 * (2^2 - 2^2) / 2 + 1000 * 9.8 * (3 - 0) + 1000 * 9.8 * 0 Simplificando la ecuación, obtenemos: ΔP = 0 + 29400 + 0 = 29400 Pascal El cambio de presión debido al golpe de ariete en este caso sería de 29400 Pascal, o aproximadamente 0.294 bares.
HIDRÁULICA BÁSICA 29 Simulación con Festo FluidSIM: Festo FluidSIM es un software de simulación de circuitos hidráulicos ampliamente utilizado en la industria y la educación para diseñar, probar y analizar sistemas hidráulicos. A continuación, se describen los temas relacionados con la simulación con Festo FluidSIM: 7.1 Introducción a Festo FluidSIM: Se proporciona una introducción al software Festo FluidSIM, incluyendo una descripción general de sus características, interfaz de usuario y herramientas disponibles. Se explica cómo utilizar el software y se familiariza a los usuarios con su entorno de trabajo. Se explicará en el salón funcionamiento y herramientas del Software 7.2 Creación de Circuitos Hidráulicos: Se describe el proceso de creación de circuitos hidráulicos utilizando Festo FluidSIM. Esto implica seleccionar los componentes hidráulicos necesarios, como cilindros, válvulas y bombas, y conectarlos en el espacio de trabajo del software. Se explican las herramientas y funciones disponibles para facilitar la creación y el ensamblaje de los circuitos.
HIDRÁULICA BÁSICA 30 Interpretación de los diagramas de fase Los diagramas de fase son representaciones gráficas que muestran el cambio en la presión, el flujo de aire y la posición de un componente en un sistema neumático. Estos diagramas son esenciales para comprender el funcionamiento de los sistemas neumáticos y para resolver problemas técnicos. 7.3 Simulación y Análisis de Circuitos Hidráulicos: Una vez que se ha creado el circuito hidráulico en Festo FluidSIM, se puede proceder a la simulación y análisis del sistema. El software permite simular el funcionamiento del circuito, observar el flujo de fluido, el movimiento de los componentes y el comportamiento del sistema en general. Se pueden realizar ajustes en los parámetros, como presión, caudal y tiempos, para analizar diferentes escenarios y evaluar el rendimiento del sistema. Durante la simulación, se pueden realizar análisis detallados, como el monitoreo de presiones, velocidades y fuerzas en los componentes, así como la detección y solución de posibles problemas o fallas en el sistema. Esto proporciona una herramienta poderosa para el diseño y la optimización de circuitos hidráulicos antes de su implementación en el mundo real.
HIDRÁULICA BÁSICA 31 El uso de Festo FluidSIM en la simulación de circuitos hidráulicos brinda una experiencia práctica y visual que ayuda a los usuarios a comprender mejor los conceptos y principios de la hidráulica, así como a desarrollar habilidades en el diseño y análisis de sistemas hidráulicos. Ejercicio 1, 2
HIDRÁULICA BÁSICA 32 Ejercicio 3 Ejercicio 4
HIDRÁULICA BÁSICA 33 Ejercicio 5 Ejercicio 6
HIDRÁULICA BÁSICA 34 Ejercicio 7 Ejercicio 8 Ejercicio 9
HIDRÁULICA BÁSICA 35 Ejercicio 10 Ejercicio 11 Cierre de curso de Hidráulica Básica. Actividades para el Cierre de Curso: 1. Resumen de los conceptos clave: Incluye un resumen conciso de los conceptos más importantes abordados en el curso. 2. Sesión de preguntas y respuestas: Se Organizará una sesión interactiva de preguntas y respuestas donde los estudiantes puedan plantear sus dudas y recibir respuestas claras y completas. Esto les brindará la oportunidad de aclarar cualquier concepto que no hayan comprendido totalmente durante el curso.
HIDRÁULICA BÁSICA 36 3. Ejercicios prácticos: Proporciona a los estudiantes una serie de ejercicios prácticos relacionados con los temas del curso. Estos ejercicios les permitirán aplicar los conceptos aprendidos y reforzar su comprensión de los mismos. 4. Evaluación final: Realiza una evaluación final para medir el nivel de conocimiento adquirido por los estudiantes. 5. Proyecto final: Crear un informe técnico sobre un tema específico de la hidráulica. 6. Retroalimentación: Solicita a los estudiantes que proporcionen retroalimentación sobre el curso. Pide sus comentarios, sugerencias y opiniones para mejorar futuras ediciones del manual y para adaptar el contenido a las necesidades de los estudiantes. Estas recomendaciones ayudarán a cerrar el curso de Hidráulica Básica de manera efectiva, brindando a los estudiantes la oportunidad de repasar, aplicar y evaluar sus conocimientos.
HIDRÁULICA BÁSICA 37 BIBLIOGRAFÍA García, A. J., & Rodríguez, E. L. (2018). Fundamentos de hidráulica. Ediciones UPC. Chow, V. T. (1959). Open-channel hydraulics. McGraw-Hill. Gessler, J. (2003). Applied hydraulic transients. CRC Press. De Vecchi, A., & Quadrio, M. (2011). Fundamentals of hydraulic engineering systems. CRC Press. Chaudhry, M. H. (2014). Open-channel flow. Springer. Escoe, A. K. (2016). Hydraulics of Pipelines: Pumps, Valves, Cavitation, Transients. Wiley. Tullis, B. P. (2011). Hydraulics. Wiley. French, R. H. (2013). Open-channel hydraulics. Taylor & Francis. Rajaraman, N. (2008). Fluid mechanics and hydraulic machines. PHI Learning Pvt. Ltd. Anderson, T. J., & Tullis, J. P. (2013). Fundamentals of hydraulic engineering systems. Pearson. Asegúrate de utilizar estas fuentes para corroborar y respaldar la información presente en tu manual de Hidráulica Básica. Fecha Responsible: Revisión / Motivo de la revisión Julio del 2023 Jeronimo Sosa Vega Humberto Martínez Julio del 2023 Rodolfo Quiroz Ajustes y actualización