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Hidráulica

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Simbología Objetivos . Conocer simbología empleada en las instalaciones neumáticas y oleohidráulicas . Comprender e interpretar circuitos representados gráficamente

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Generalidades Objetivos . Conocer las características generales de la neumática y de la oleohidráulica. . Diferenciar las tecnologías oleohidráulica y neumática.

Hidráulica. Conceptualmente la hidrálica se puede definir de varias maneras, siempre dependiendo del contexto en que la usemos. Si la empleamos dentro del contexto de la mecánica de los fluidos, podemos decir que la hidráulica es la parte de la física que estudia el comportamiento de los fluidos. La palabra hidráulica proviene del griego, Hydor, y trata de las leyes que están en relación con el agua. Cuando tratamos de un fluido como el aceite deberiamos hablar de oleohidráulica, pero no es así, normalmente empleamos el vocablo hidráulica para definir a una tecnología de ámbito industrial que emplea el aceite como fluido y energía, y que está en estrecha relación, con las leyes de la mecánica de los fluidos.

La oleohidráulica y la neumática constituyen hoy día el complemento ideal de la mecánica tradicional en numerosos procesos industriales modernos. Durante años dichos procesos han sido resueltos mediante el empleo de la mecánica tradicional donde, con frecuencia, y de forma muy ingeniosa a veces, el movimiento rotatorio de un motor eléctrico convencional se ha transformado en otro movimiento rotatorio más lento, pero con mayor par de rotación, en un movimiento lineal continuo o discontinuo o en un movimiento combinado complejo en cualquier dirección.

De entre las ventajas que ofrecen los medios de trasmisión hidráulicos frente a soluciones mecánicas, pueden destacarse las siguientes: Movimientos suaves, silenciosos y libres de vibraciones. Posibilidad de invertir fácilmente el sentido de la marcha.

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Regulación sencilla de las velocidades de trabajo. Control simple de fuerzas y pares en los cilindros y en los actuadores de giro. Posibilidad de conseguir arranques y paradas progresivas en los actuadores de giro. Fácil protección contra sobrecargas. Autoengrase en todos los componentes. Pero ya que se han enumerado algunas de las ventajas es justo también relacionar algunos de los inconvenientes que se presentan frente a las transmisiones mecánicas: Para generar la presión y el caudal necesario es preciso disponer de una centralita hidráulica dotada e un motor convencional y de bomba, además de otros componentes auxiliares. La compresibilidad, aunque pequeña del aceite, unida a la elasticidad de las tuberías puede ocasionar anomalías en el funcionamiento en algunas aplicaciones. Sobre todo en la puesta en marcha de los sistemas que funcionan con este medio, es preciso una purga previa de las burbujas de aire que contienen tuberías y aparatos diversos. Se originan a veces ciertas pérdidas de fluido por los aparatos y por los racores de unión de las tuberías.

De todos los elementos de trabajo el más utilizado es el cilindro (figura a). Consta esencialmente de un cuerpo cilíndrico fijo y de un vástago que se desplaza linealmente para producir trabajo. Según se alimente se fluido a presión una u otra cámara, el vástago avanzará o retrocederá hasta la posición de reposo. En (b) de la misma figura se muestra un motor hidráulico a través del cual se consigue el giro de un eje a distintas velocidades y en ambos sentidos. En (c) muestra un accionador rotativo con su eje también giratorio. La diferencia respecto al motor anterior se encuentra en que en estos accionadores el giro del eje no supera en general los 360º. Las velocidades suelen ser más reducidas que las de los motores. En (d) se presenta un objeto de reciente incorporación. Se trata de pinzas, componentes empleados en la manipulación de objetos y en robótica (en este último caso se emplea más la neumática). Un sistema hidráulico elemental deberá estar compuesto al menos de los siguientes componentes: una bomba o elemento capaz de generar caudal y presión en el fluido hidráulico, unas conducciones o tuberías capaces de transportar dicho fluido a presión hacia la cámara correspondiente del actuador, un tanque o depósito con capacidad suficiente de líquido como para abastecer dichas cámaras, un dispositivo o válvula que interrumpa el paso o direccione el fluido voluntariamente por una u otra tubería y, finalmente, el actuador o componente capazde vencer una resistencia externa realizando un trabajo.

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Como este circuito elemental es representativo de la mayoría de los circuitos empleados en hidráulica, donde en todo caso, el distribuidor manual (5) será sustituido por una electroválvula de funcionamiento electromagnético, conviene analizar con más detenimiento las partes esenciales del mismo. El aceite es aspirado por la bomba (2) del depósito (10) a través de la tubería de aspiración (3). Dicha bomba eleva la presión del fluido según demanda el cilindro (7) y el aceite es transportado a las cámaras correspondientes del mismo por el interior de la tubería (4). El distribuidor (5) se encarga de dar paso al aceite hacia los conductos (6) u (8), según se desee el avance o el retroceso del vástago del actuador. En este caso, y si se desea hacer avanzar al vástago, el aceite se impulsará a través de la tuvería (6) para introducirlo en la cámara posterior del cilindro o cámara de avance. Mientras tanto, y para que tal avance tenga lugar, será preciso que el aceite de la cámara delantera se desaloje hacia el depósito o travñes de las tuberías (8) y (9), respectivamente. Si lo que se desea es hacer retroceder al vástago una vez que se encuentra avanzado, bastará con accionar de nuevo la palanca del distribuidor mencionado y, esta vez, el aceite penetrará por el conducto (8) hacia la cámara delantera, y retornará al depósito a través de las tuberías (6) y (9). Es interesante hacer notar aquí que la tubería (3) es siempre de aspiración, la (4) es de presión y la (9) lo es de retorno; en todas ellas el fluido circula siempre en el mismo sentido. No ocure así en las (6) y (8) ya que en estas el sentido se va alternando según avance o retorne el vástago del cilindro. Sustituyendo el distribuidor manual (5) por una electroválvula, gobernada electromagnéticamente, se podrá llegar a diferentes niveles de automatización. Para ello es preciso instalar un equipo eléctrico y un pupitre de mandos con objeto de provocar las correspondientes órdenes de marcha y paro dentro del ciclo de trabajo. Cuando la situación lo requiera, pueden emplearse también autómatas programables que simplifican en gran medida los circuitos eléctricos convencionales. Si a todos estos componentes le añadimos la programación por ordenador, se alcanzará el mayor grado de automatización posible hoy día, con máquinas capaces de ser programadas o de modificar dicha programación en breves espacios de tiempo. La hidráulica también es susceptible de utilizar técnicas más sofisticadas. El distribuidor puede ser de mando proporcional, capaz de provocar en el vástago del cilindro arranques y paradas más o menos progresivas, con detenciones del vástago en cualquier parate del recorrido y con bastante precisión. También se logran variaciones de velocidad durante el recorrido de forma muy simple. A continuación se muestra de forma gráfica algunas de las funciones más típicas de los accionamientos hidráulicos. A través de estas aplicaciones puede obtenerse información suficiente como para que el técnico con conocimientos en esta materia encuentre soluciones a los numerosos problemas que se le presentarán en la práctica.

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En la figura 1.4.1 y 1.4.2 se muestran dos mecanismos típicos o máquinas accionadas por cilindro hidráulico de empuje directo. En estos casos la fuerza está limitada por la sección del cilindro y, naturalmente, por la presión del aceite del circuito. En el primer ejemplo se presenta un cilindro moviendo un carro guiado sobre una bancada, y en el segundo se muestra una prensa universal de columnas proyectada para usos diversos en la cual el plato móvil se deslaza mediante la acción de un cilindro hidráulico.

Las figuras 1.4.3 y 1.4.4 muestran mecanismos que utilizan palancas y brazos articulados para transformar la dirección del movimiento por una parte, y por otra, para multiplicar el esfuerzo a base de modificar los brazos de la palanca. En el segundo caso el aumento de la fuerza es considerable, sobre todo cuando ambos brazos articulados se encuentran alineados en la misma vertical. En este caso, y en el tramo final del recorrido, el desplazamiento vertical del pistón del mecanismo es muy pequeño llegando incluso a anularse.

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Otro ejemplo multiplicador del esfuerzo y cambio de dirección, aunque con menor rendimiento, lo constituye el mecanismo de cuñas de la figura 1.4.5.

En las figuras 1.4.6, 1.4.7 y 1.4.8 se representan soluciones hidráulicas que transforman el movimiento lineal de un cilindro en movimientos giratorios de poleas o ruedas dentadas.

En sistemas de elevación y transporte interior, tanto en fábricas como en viviendas particulares, la hidráulica encuentra numerosas aplicaciones. La figura 1.4.9 muestra un elevador industrial de uso cotidiano que se emplea en sistemas estáticos y también en carretillas en movimiento. Modernamente este tipo de transporte vertical se ha extendido también a los ascensores de viviendas cuando éstas no superar los cuatro o cinco pisos de altura. Tanto en uno como en otro caso

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se utilizan cilindros telescópicos de varias etapas de avance del vástago. La altura de elevación puede aumentarse notablemente con el correspondiente juego de poleas y cables que se usa en estos casos. En la figura 1.4.10 se representa una aplicación auxiliar para transporte horizontal combinado con cinta transportadora. En este caso el vástago del cilindro empuja una masa que es preciso hacer avanzar sobre rodillos hasta la pendiente inclinada, también de rodillos, que se muestra.

La hidráulica es muy utilizada en procesos de mecanización donde se emplea tanto para la sujección de piezas de dsitinto tipo, como en unidades de mecanizado. Las figuras 1.4.11 y 1.4.12 muestran casos típicos de sujección: el primero con palanca acodada, y el segundo, mediante el empleo de dos cicindros perpendiculares de empuje directo.

Los cilindros hidráulicos se emplean también en unidades de mecanizado comerciales para producir el vance de la herramienta, como el mostrado en la figura 1.4.13, donde un motor eléctrico con el correspondiente reductor de velocidad hace girar a la broca. La unidad se encarga del avance regulado y del retroceso rápido de dicha herramienta hasta su posición de reposo.

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En las figuras 1.4.14 y 1.4.15 se muestran otros usos diferentes de esta técnica. En primer lugar se representa un mecanismo de trinquete donde mediante avances y retrocesos controlados del vástago del cilindro se consegue hacer girar la rueda dentada mostrada, permitiendo giros intermitentes de la misma. En la segunda de las figuras se muestra el accionamiento de una compuerta para producir el cierre o apertura de la misma. En procesos industriales dosnde intervienen la manipulación y la robótica, la hidr´çaulica se utiliza también. En la figura 1.4.16 se representa un manipulador bidireccional, con movimientos horizontal y vertical respectivamente y donde el carro puede ocupar cualquier posición del plano barrido por los cilindros.

La figura 1.4.17 muestra un robot donde la elevación y el descenso del brazo principal, el giro del cuerpo del robot, así

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como la pinza de sujección, son de accionamiento hidráulico. La unidades de giro como la de la figura 1.4.18 han experimentado hoy en día un cierto augedebido a que presentan soluciones sencillas aplicadas a problemas diversos, tanto en giros parciales controlados, como en giros completos a distintas velocidades. En giros parciales se emplean las unidades formadas por cilindro y cremallera o los accionadores rotativos de paletas. Para giros completos a distintas velocidades se utilizan los motores hidráulicos como el que se muestra, combinados a veces con un reductor de velocidad mecánico o mediante transmisión directa. Podrían incluirse muchos más ejemplos en una lista que podría hacerse interminable, pero es momento de finalizar esta exposición gráfica y para ello se incluye un ejemplo muy extendido de los usos de esta técnica hidráulica, en maquinaria de obras públicas, tal y como se muestra en la figura 1.4.19, para el movimiento de tierras en general, construcción, agricultura, etc.

Ventajas y desventajas de la hidráulica frente a la neumática. La hidráulica y la neumática son formas de transmisión de energía similares. Ambas emplean tuberías para el transporte del fluido: aceite en el primer caso y aire en el segundo. En el caso de la hidráulica se crea un caudal de aceite que puede alcanzar un valor de presión determinado por una limitadora y en el caso de la neumática es el aire a presión el que puede producir un trabajo. Las presiones que se pueden alcanzar en hidráulica son bastante más elevadas que en neumática. Los componentes empleados en una y otra forma de transmisión son también muy parecidos y sólo diferenciados en la robustez de los componentes hidráulicos. Pero no solamente llega hasta aquí la semejanza, sino que en la mayor parte de los casos se emplean los mismos símbolos normalizados para diseñar los circuitos. Tanto es así que el técnico con un cierto nivel de conocimientos hidráulicos puede considerarse que ya ha recorrido un gran camino si también pretende adquirir conocimientos de esta otra materia, o viceversa. Cada una de estas formas de transmisión de la energía posee su propio campo de aplicación, aunque de forma alternativa y en algunos casos puede ser empleada cualquiera de ellas. La decisión de adoptar una u otra puede resultar problemática para el técnico no experimentado, sobre todo en los casos en los que realmente puede utilizarse uno u otro sistema; pero bien puede afirmarse que la línea divisoria se encuentra sobre todo en las fuerzas o pares reducidos que proporciona el aire comprimido comparado con los sistemas de aceite. Para valores superiores a 3.000 daN de empuje directo, es perciso pensar en hidráulica o en otros medios como la mecánica convencional. En aquellos casos en los cuales puede ser utilizado uno u otro medio, la economía suele ser a veces determinante: la instalación de un sistema neumático es más sencillo, rápido y económico que la implantación de un sistema hidráulico.

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Después de lo expuesto es lógica la comparación de ambas fromas de energía. A continuación se hace un resumen de las ventajas e inconvenientes de un medio respecto al otro. Las ventajas más apreciables de la hidráulica frente a la neumática, pueden resumirse de la siguiente forma:

Presiones de trabajo que pueden alcanzar hasta los 600 bar aproximadamente. Con aire comprimido, y de modo general, no se superan los 6, o a lo sumo, 8 bar. Fuerza casi ilimitada, dependiente solo del tamaño del actuador.

El aceite es prácticamente incomprensible para un buen número de aplicaciones. La comprensibilidad del aire presenta un problema en no pocos casos, aunque, a veces, tal característica resulta ser positiva. En neumática, si se superan reacciones en el vástago superiores a la propia fuerza del cilindro, este retrocede según se muestra en la figura 1.6.1. En un cilindro hidráulico y para evitar este problema, basta con incroporar una válvula antirretorno, tal y como se indica en la figura 1.6.2, y tal problema queda solventado. Regulación más precisa y sencilla de la velocidad de los actuadores. En neumática la regulación del flujo de aire es más complicada ya que cuando es necesaria cierta precisión en los movimientos es necesario acudir a sistemas hidráulicos auxiliares. Los equipos hidráulicos son autónomos, o lo que es lo mismo, la energía se genera en la propia máquina. En neumática se depende siempre de una red general de distribución de aire comprimido que abastece un solo compresor general. los sistemas hidráulicos son más silenciosos. El coste de la energía es menor.

Frente a todas estas ventajas y pensando en la posibilidad de compatibilidad de ambos sistemas en determinados casos, es conveniente también conocer los inconvenientes que presentan los sistemas hidráulicos comparados con los neumáticos. Entre tales inconvenientes se destacan: Menor facilidad de implantación. La instalación de los circuitos neumáticos es más sencilla, rápida y limpia. Los componentes neumáticos que conforman el circuito son más económicos. Los componentes hidráulicos son de mayor peso y volúmen. Aquí es preciso excluir los elemntos de trabajo como los cilindros y los actuadores de giro, ya que para igualdad de fuerza, son más voluminosos en neumática. Los movimientos son más lentos que en neumática.

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Menor elasticidad de este medio de trasmisión. En determinados montajes donde sea precisa esta característica, el aire comprimido ofrece ventajas debidoa su comprensibilidad. Ciertas pérdidas de fluido por tuberías o elementos de unión carecen de importancia en neumática. En hidráulica cualquier grado de automatización requiere el uso de componentes eléctricos. En cambio, la neumática es autosuficiente hasta ciertos niveles de automatización, ya que no necesita en ocasiones de la asistencia de energía eléctrica. En determinados tipos de instalaciones con peligro de incendio o explosión, es obligado el uso de la neumática ya que esta es antideflagrante. No ocurre lo mismo con las instalcaiones de aceite comprimido que son más sensibles a estos aparatosos efectos. Como puede apreciarse cada una de estas técnicas, aunque comparables entre sí, poseen su propio campo de aplicación. Ninguna de las dos desmerece frente a la otra ni es menos importante. El técnico responsable debe decidir en todo momento, y cuando ambas sean susceptibles de solucionar un mismo problema, cuál debe utilizar.

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Principios Fundamentales Objetivos . Conocer los principios generales en los que se basa el comportamiento del aceite utilizado en los sistemas hidráulicos. . Perserguir un carácter eminentemente práctico en aquellas fórmulas que realmente sean susceptibles de ser aplicadas en la práctica cuando se deasrrollen los esquemas o circuitos necesarios para alimentar cualquier máquina. Se huirá, siempre que ello sea posible, de aquellas expresiones accesorias que puedan eclipsar lo fundamental o básico aún a costa de cierta imprecisión admisible.

Presión: La presión es la magnitud que relaciona la fuerza con la superfice sobre la que actúa, equivale a la fuerza que actúa sobre la unidad de superficie. Cuando sobre una superficie plana de área S se aplica una fuerza normal F de manera uniforme, la presión P viene dada por: P = F/S = (4*F)/(π*d2) Siendo: P = Presión en bar. F = Fuerza en daN S = Superficie del psitón en cm2. d = Diámetro del pistón en cm. Las presiones de trabajo habituales en los sistemas hidráulicos oscilan entre 30 y 500 bar. En máquina herramienta se puede utilizar desde 70 hasta 140 bar, mientras que en maquinaria de obra pública podemos encontar presiones entre 200 y 500 bar. 1 bar = 100 kPa 1 bar = 14.5 p.s.i. 1 Kp/cm2 ≈ 1 bar

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Presión absoluta y relativa En hidráulica o neumática la presión se mide no como la presión absoluta (presión barométrica) sino como la presión por encima de la presión atmosférica, denominándose presión relativa, presión normal, presión de gauge o presión manométrica. Consecuentemente, la presión absoluta es la presión atmosférica más la presión manométrica (presión que se mide con el manómetro).

Comprensibilidad del aceite A diferencia de los gases, los líquidos en general, y a efectos prácticos, se consideran incomprensibles hasta presiones de unos 70 bar. En general, esa escasa comprensibilidad del aceite, apenas se tiene en cuenta en cualquier sistema hidráulico convencinal. Para hacerse a una idea, y tomando como base una presión de 70 bar, la comprensibilidad del agua se sitúa en torno al 0,336% y la de los aceites minerales, a la misma presión, alrededor del 0,354%. Es decir, suponiendo un volúmen de 100 litros a la presión indicada de 70 bar, en el caso del agua se reduciría a 99,664 litros y en el caso del aceite a 99,646 litros.

Principio de Bernoulli

El principio de Bernoulli describe el comportamiento de un fluido moviéndose a lo largo de una línea de corriente. Expresa que un fluido ideal (sin viscosidad ni rozamiento) en régimen de circulación por un conducto cerrado, la energía que posee el fluido permanece constante a lo largo de su recorrido. La energía de un fluido en cualquier momento consta de tres componentes: 1. Cinética: es la energía debida a la velocidad que posee el fluido. 2. Potencial gravitacional: es la energía debido a la altitud que un fluido posea. 3. Energía de flujo: es la energía que un fluido contiene debido a la presión que posee. La siguiente ecuación consta de estos mismo términos:

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V2*ρ/2 + P + ρ*g*z = constante donde: V = velocidad del fluido en la sección considerada. g = gravedad z = altura en la dirección de la gravedad desde una cota de referencia. P = presión a lo largo de la línea de corriente. ρ = densidad del fluido. Un caso particular:

En equilibrio, la velocidad es nula.

Hidrostática Se llama hidrostática a la parte de la hidráulica que estudia el equilibrio de los líquidos (V = 0). Las diferencias entre un líquido ideal, donde sí que existe rozamiento, se encuentra precisamente en la viscosidad del fluido. Dicha viscosidad sólo importa en el movimiento de dicho fluido: en el reposo o en la denominada hidrostática, pueden aplicarse los mismos principios que rigen para los fluidos ideales.

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Según el Principio de Pascal y despreciando el peso (ρ = 0) del mismo líquido, en cualquier punto de dicho líquido la presión que se ejerza se trasmite con la misma intensidad en todas las direcciones, actuando siempre de forma perpendicular a las paredes del recinto que lo contiene. En la práctica y refiriéndose a trasmisiones hidráulicas, el principio de Pascal puede ser utilizado, ya que en este tipo de trasmisiones se trabaja normalmente a presiones tan elevadas que hacen que el propio peso y también los rozamientos internos, sean perfectamente despreciables frente al efecto final de producir un trabajo como consecuencia de dichas presiones.

Actividad Conversión de unidades: 1.1.- Convierte a bar las siguientes unidades de presión: a) 35 p.s.i b) 1.8 Kp/cm2 c) 1500 mmHg 1.2.- ¿Qué presión es superior, 1000 Pa ó 1 bar? 1.3.- Completa la siguiente tabla: Kp/cm2

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bar

p.s.i

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1.8 Kp/cm2 0.75 bar 15,4 p.s.i. Presión, fuerza y superficie: 1.4.-¿Qué diferencia existe entre manómetro y barómetro? 1.5.- Un martillo golpéa la cabeza de un clavo con una fuerza de 200 Kp. Calcular la presión ejercida si en su extremo tiene una sección recta de 10 mm2. 1.6.- Un ladrillo cuyas dimensiones son 250x10x6 cm está construido de un material de peso específico 2Kp/dm3. Calcula la presión que ejerce sobre el suelo al apoyarse en cada una de sus caras. 1.7.- Qué presión, en bares, deberá actuar sobre la cámara anterior de un cilindro de doble efecto 200/120/800, si la resistencia que debe vencer en su avance es de 1500 daN. 1.8.- ¿Qué fuerza en daN se obtiene cuando sobre un pistón de 50 cm2 de superfice actúa una presión de 110 bar? 1.9.- Dos cilindros de doble efecto iguales en sus dimensiones, uno de un solo vástago y el otro de doble vástago. ¿Cuál es más rápido? ¿Cuál ejerce más fuerza en el avance?. Razona las respuestas. Principio de Bernoulli: 1.10.- En el siguiente circuito:

Suponemos que en ambos casos estamos en equilibrio. Calcula : a) La superficie sobre la que se ejerce una fuerza de 10 Kp, cuando Fa = 35 N y actúa sobre una superficie de 60 cm2. Suponemos que los dos pistones están a la misma altura y en equilibrio. b) La fuerza Fb cuando la plataforma derecha está elevada 10 cm respecto a la izquierda. Se trataría del mismo sistema que el anterior, donde la densidad del fluido es de 0,945 Kg/dm3. 1.11.- Un depósito de aceite (Pe del aceite = 0.9 Kp/dm3) mide 4 m de largo, 3 m de ancho y 1.2 m de altura. ¿Que presión (absoluta y relativa) actúa sobre el fondo cuando el depósito está lleno en sus 3/4 partes si sobre la superficie libre del aceite actúa la presión atmosférica?

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1.12.- Tras buscar ayuda en internet, razona a qué se debe la fuerza de sustentación de las alas de un avión.

Caudal Se define como caudal o flujo, la cantidad de fluido que pasa por una sección recta de la tubería en la unidad de tiempo. Q = Volumen/t Como Volumen = S*l, y V = l/t. Tendremos: Q = S*l/t = S*V Pero las unidades podrían ser m3/s para el caudal, m2 para la sección y segundos para el tiempo. Por ajuste de unidades utilizaremos: Q = 6*S*V Siendo: Q (litros/minuto) S (cm2) V (m/s) Suponiendo que el aceite no se comprime a presiones relativamente bajas, es fácil deducir la ecuanción de continuidad:

S1 * V1 = S2 * V2 = Q = Constante

Pérdidas de carga en conducciones: En primer lugar conviene observar el ejemplo gráfico de la figura siguiente:

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Se trata de un cilindro conectado a una conducción recta de cierta longitud y de poca sección. Sobre dicho tubo se sitúan varios manómetros regularmente distribuidos. Si se aplica en el pistón una fuerza F, el fluido contenido en dicho cilindro se desplaza a lo largo de la tubería hasta verterse en el exterior. Cada uno de los manómetros instalados mostrará una cierta presión que irá decreciendo proporcionalmente. Esta prueba práctica revela la existencia de una resistencia interna del fluido a su paso por el conductor (resistencia de carga), y que es tanto mayor, cuanto mayor es la longitud del tubo. La pérdida de carga o rendimiento en tuberías rectas depende de varios factores: rugosidad superficial interior del tubo, longitud del mismo, sección de paso, peso específico del aceite y velocidad media de circulación del fluido. Las pérdidas de carga en las conducciones se expresan por las caídas de presión que tienen lugar en los diversos tramos. Esta pérdida de carga en un determinado tramo puede calcularse a ravés de la expresión: ∆p = (50*λ*l*V2) / (d*g) Donde: ∆p = Caída de presión en bar. λ = Coeficiente de resistencia, donde: λ = 64/ Re para régimen laminar λ = 0.3164 /(Re)1/4 para el régimen turbulento l = Longitud de la tubería en metros V = Velocidad media del aceite en m/s. d = Diámetro interior de la tubería en mm. g = gravedad.

Pérdidas de carga localicadas Además de las pérdidas de carga que se originan en las tuberías, existen otras pérdidas importantes que es preciso tener en cuenta si se desea evaluar teóricamente el rendimiento total de la instalación. Existen resistencias localizadas en determinadas zonas del circuito como estrangulaciones de paso, codos, empalmes, cambios bruscos de direción de fluido, componentes hidráulicos, etc. Estos elementos son a veces complejos en su construcción y su configuración interna hace poco posible el cálculo teórico de dichas pérdidas. Por ello y pos razones prácticas se obtiene el rendimiento de dichos elementos midiendo la presión de entrada y la de salida en unas determinadas condiciones de funcionamiento.

Hidrodinámica Esta no es la única pérdida de energía en una trasmisión hidráulica. Se tratan de la energía potencial debida a la diferencia de nivel entre uno y otro punto y la la energía cinética (que al igual que la térmica, tienen carácter dinámico). Esto ya lo veíamos en la ecuación de Bernoulli:

V2*ρ/2 + P + ρ*g*z = constante

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En un tramo de tubería en el que la altura sea constante z = 0.

V2*ρ/2 + P = constante En la práctica se cumple que toda disminución de sección en una conducción por donde discurre un fluido, se traduce en un aumento de velocidad (ecuación de continuidad) y, por tanto, en una disminución de la presión, y viceversa. Tal aclaración se pone de manifiesto en el ejemplo de la figura siguiente:

Viscosidad El índice de viscosidad de un fluido arroja luz sobre la resistencia al deslizamiento que ofrecen las partículas entre sí. Si el aceite desliza con dificultad se dice que es muy viscoso, si lo hace con cierta facilidad se dice que es muy fluido. Existen dos formas de medir la viscosidad de un fluido: a través de consideraciones científicas (viscosidad dinámica, también conocida como absoluta o científica) y empíricas (viscosidad cinemática que equivale a la viscosidad dinámica dividida por la densidad). Para medir la viscosidad absoluta o dinámica (P) se utiliza la unidad del SI el Poiseuille - Pl (kg m-1 s-1), o bien en dimensiones de presión.tiempo, siendo el Poiseuille = Pascal.segundo Pa.s). La viscosidad del agua a 20 ° = 1 mPl = 0,001 Pa.s y la del aceite mineral a 20° = 35 mPl. Para medir la viscosidad cinemática, equivalente a la viscosidad dinámica dividida por la densidad, se emplea la unidad del SI, sin nombre concreto, m2/s y en ocasiones el mm2/s = 10-6 m2/s La viscosidad del agua a 20° = 1 mm 2/s y la del aceite mineral a 20° = 40 mm 2/s Entre las viscosidades empíricas destaca el método de Engler, que mide la viscosidad en grados Engler (°E).

La temperatura influye bastante sobre el índice de viscosidad ya que para un determinado aceite, este índice varía con la temperatura, de forma tal, que un aumento de la misma produce un descenso de la viscosidad y viceversa. Tal variación de la viscosidad puede alterar de forma negativa algunas propiedades del aceite, ocasionando un funcionamiento anómalo en el circuito. Tal es el caso del poder lubricante, que disminuye en general al disminuir la viscosidad. También al aumentar la temperatura y volverse el aceite más fluido, pierde cualidades de poder de estanqueidad y puede fugarse por las conexiones de algunos aparatos y por las uniones del tubo y los racores.

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En la figura se muestran curvas representativas de la variación de la viscosidad con la temperatura de un aceite indicado para usos convencionales (curva A), y de un aceite concebido para usos hidráulicos (curva B) con una viscosidad algo más estable. Las temperaturas de funcionamiento de un circuito hidráulico son muy variables y dependen del tipo de instalación, del diseño del circuito, de la ubicación de la máquina y de la temperatura ambiente. Incluso varían para una misma máquina según el trabajo que se realiza en la misma, o según determinada fase de un ciclo cualquiera. En el arranque, el aceite puede encontrarse a temperaturas ambientes de entre 15ºC y 20ºC en casos considerados como normales, y durante la marcha se pueden alcanzar hasta aproximadamente los 65ºC o incluso más. La temperatura óptima es la de 50ºC, y se considerá normal el rango comprendido entre 35ºC y 65ºC.

Medida de la viscosidad La mejor forma de valorar la viscosidad de un aceite es comparándola con el valor del líquido más univesal que existe: el agua. Para la determinación de esta característica esencial se emplea el viscosímetro de Engler (que mide la viscosidad cinemática, pues la masa del aceite, lo mismo que la altura, determina la presión en el orificio de salida) que se muestra en la figura siguiente.

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Este dispositivo de medida consta esencialmente de un recipiente (3), en el interior del cual se halla el aceite cuya viscosidad se pretende determinar. Dicho recipiente a su vez se encuentra en el interior de otro (4) que contiene agua. El elemento (1) es una varilla cuyo extremo inferior hace de tapón del conducto (5) de salida del aceite hacia el exterior. En el interior del recinto de aceite se instala el termómetro (2) que medirá la temperatura del fluido objeto de medición. En el recipiente (3) se introduce un volumen de 200 cm3 de aceite. El agua contenida en el recipiente (4) se va calentando o enfriando según la temperatura d ensayo. Cuando el termómetro (2) indica la temperatura deseada, se levanta la varilla (1) y el aceite sale. Se mide con un cronómetro el tiempo transcurrido. Este tiempo se relaciona con el tiempo que transcurre para un ensayo similar, donde el aceite se sustituye por agua destilada y la temperatura se fija en 20ºC. En estas condiciones fijas del ensayo del agua, el tiempo oscila alrrededor de los 51.6 segundos. La temperatura más comunmente aceptada para medir la viscosidad del aceite es de 20ºC, aunque se emplean también temperaturas de 40ºC, 50ºC y 100ºC, según los tipos de aceite. Cuando se proporciona en índice de viscosidad del aceite es obligado mencionar la temperatura de ensayo. La relación entre el tiempo que emplea el aceite a una temepratura determinada y la misma cantidad de agua a 20ºC, se conoce con el nombre de viscosidad en grados Engler (ºE). O sea: ºE(t) = T/Ta Siendo: ºE(t) = Viscosidad en grados Engler a la temperatura de tºC. T = Tiempo en segundos del paso del aceite. Ta = Tiempo en segundos del paso del agua destilada a 20ºC. La viscosidad cinemática también se expresa en otras unidades. Así la norma SI y la norma UNE expresa la viscosidad cinemática en m2/s y también en Centistokes (cSt). En EEUU se utilizan los segundos Saybolt universales (S.S.U) y en Inglaterra, los segundos Redwood. La equivalencia entre las unidades del sistema SI o las de UNE, es la siguiente:

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1 Centistokes (cSt) = 10-6 m2/s En la tabla de la figura siguiente se muestra la correspondencia entre viscosidades cinemáticas de los distintos sistemas.

En la mayoria de los sistemas hidráulicos las viscosidades oscilan entre los 200 y 20 Centistokes a la temperatura de 20ºC. Para hacerse a una idea, el índice de viscosidad del agua a 20ºC es de 1 Centistoke.

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Un importante método de identificar aceites hidráulicos es por la especificación de la clase de viscosidad. La norma ISO así como la DIN 51524 clasifican los aceites a intervalos de viscosidad a 40 ºC. Tal y como se muestra en el cuadro siguiente (Recordemos que 1cSt = 1 mm2/s).

También para medir la viscosidad de los aceites se utilizan con frecuencia los números SAE (Society of Automotive Enginers), que marcan intervalos de viscosidad. Una equivalencia entre clases SAE e ISO-VG se puede ver en el cuadro siguiente.

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La norma UNE 51007 de 1996 recomienda el lubricante a emplear en máquinas-herramientas, tanto para el caso de engrase general con aceites lubricantes en diferentes mecanismos, como en el caso de los lubricantes empleados para los sistemas hidráulicos. En la denominación que emplea la norma se emplean letras seguidas de números que indican el índice de viscosidad. En el caso de aceites hidráulicos, la letra es H. En algunos cálculos prácticos interesa considerar la denominada viscosidad absoluta o viscosidad dinámica donde se involucra el peso específico del fluido. La vsicosidad absoluta se expresa en el SI y en la norma UNE en N*s/m2 y en Centipoises (cP) (1 Poise = 100 cP) . También es frecuente emplear el Kp*s/m2. La conversión de la viscosidad cinemática en grados Engler, en viscosidad dinámica en Cp, pueden llevarse a cabo a través de la expresión: µ = ρ*((73.18*ºE)-(63.08/ºE))*10-3 Donde: µ = Viscosidad dinámica en Cp. ρ = Peso específico en Kp/dm3. ºE = Viscosidad en grados Engler. La conversión de la viscosidad cinemática en grados Engler, en viscosidad dinámica en kp*s/m2, pueden llevarse a cabo a través de la expresión: µ = ρ*((0.746*ºE)-(0.643/ºE))*10-3 Donde: µ = Viscosidad dinámica en Kp.s/m2

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Régimen laminar y turbulento Al circular un líquido real por un conducto tiene lugar una pérdida de carga como consecuencia de cierta resistencia que opone la pared interior de la tubería y el rozamiento interno entre las propias partículas del fluido. Para una conducción recta, dichas pérdidas dependerán de la rugosidad interior de la pared del tubo, de la longitud de éste y de la velocidad del fluido, o lo que viene a ser los mismo, del diámetro de la sección. Respecto a la velocidad de circulación del fluido, y de acuerdo a cómo se comportan las parctículas en su desplazamiento, pueden considerarse dos tipos de régimen: el régimen laminar y el turbulento. Tal discriminación la proporciona la velocidad del líquido. En el caso del régimen laminar, el fluido circula a velocidad reducida, caracterizándose sus partículas por moverse en línea recta según trayectorias paralelas al eje del tubo. Este tipo de flujo es el ideal en las trasmisiones hidráulicas pero no siempre es posible. Tal y como se aprecia en (c), en este tipo de régimen las partícular de aceite adheridas a la superficie del tubo permanecen quietas. La velocidad de dichas partículas va aumentando desde dicha pared hasta el eje del tubo donde se hace máxima. Se considera velocidad media del fluido Vm, a aquella velocidad supuestamente constante que haría circular un caudal determinado por unidad de tiempo.

Cuando los valores de la velocidad media alcanzan y sobrepasan un determinado valor, se dice que se ha llegado a lo que se denomina velocidad crítica. A partir de ahí las partículas están dotadas de un movimento desordenado (figura b). La distribución aproximada de las velocidades de las partículas se muestra en (d). El tipo de régimen existente en una tubería puede determinarse mediante el número característico de Osborne Reynolds, que es adimensinal y está referido a conducciones de sección circular. Tal número se obtiene a través de la expresión: Re = (ρ*V*d)/(µ*g) Donde: ρ = Peso específico del líquido en Kp/dm3. V = Velocidad media en m/s. d = Diámetro interior de la tubería en mm. µ = Viscosidad dinámica en Kp*s/m2. g = gravedad en m/s2. Investigaciones diversas demuestran que para tubos cilíndricos de pared lisa, la velocidad crítica o velocidad de transición de un régimen laminar a uno turbulento se alcanza para un valor característico de Reynolds: Re = 2300 En las conducciones empleadas en hidráulica no conviene superar este significtivo número. En el conjunto de la instalación ello no es posible debido al elevado número de estrangulaciones y cambios bruscos en la dirección del fluido que se producen en los propios componentes del circuito como en los distribuidores, los reguladores de caudal, las válvulas antirretorno y en los diversos tubos y racores de unión que se emplean.

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Cavitación La cavitación o aspiración en vacío es un efecto hidrodinámico que se produce cuando cualquier fluido en estado líquido pasa a gran velocidad por una arista afilada, produciendo una descompresión del fluido debido a la conservación de la constante de Bernoulli (Principio de Bernoulli). Puede ocurrir que se alcance la presión de vapor del líquido de tal forma que las moléculas que lo componen cambian inmediatamente a estado de vapor, formándose burbujas o, más correctamente, cavidades. Las burbujas formadas viajan a zonas de mayor presión e implotan (el vapor regresa al estado líquido de manera súbita, «aplastándose» bruscamente las burbujas) produciendo una estela de gas y un arranque de metal de la superficie en la que origina este fenómeno. La implosión causa ondas de presión que viajan en el líquido. Estas pueden disiparse en la corriente del líquido o pueden chocar con una superficie. Si la zona donde chocan las ondas de presión es la misma, el material tiende a debilitarse metalúrgicamente y se inicia una erosión que, además de dañar la superficie, provoca que ésta se convierta en una zona de mayor pérdida de presión y por ende de mayor foco de formación de burbujas de vapor. Si las burbujas de vapor se encuentran cerca o en contacto con una pared sólida cuando implosionan, las fuerzas ejercidas por el líquido al aplastar la cavidad dejada por el vapor dan lugar a presiones localizadas muy altas, ocasionando picaduras sobre la superficie sólida. El fenómeno generalmente va acompañado de ruido y vibraciones, dando la impresión de que se tratara de grava que golpea en las diferentes partes de la máquina.

Velocidades del fluido en circuitos En la figura siguiente se representa un circuito convencional esquemático y simplificado al máximo. En él pueden apreciarse los cuatro tipos de tuberías que conforman cualquier circuito:

Las de aspiración (1) son tuberías que discurren desde el interior del aceite del depósito hasta la entrada de la bomba. El extremo libre de la tubería debe encontrarse sumergido en el aceite con objeto de evitar la aspiración de aire. Debe procurarse que sean de la menor longitud posible, el diámetro interior deberá ser grande para que la velocidad sea lenta y no forzar la aspiración de la bomba. Por estas tuberías circula el aceite a la velocidad más lenta de todo el circuito. Son tuberías que en general no soportan presión. Los conductos de presión (2) son tuberías que van desde la salida de impulsión de la bomba hasta el correspondiente distribuidor del actuador. En estas tuberías la velocidad puede ser la más rápida y se encuentran sometidas a la mayor presión que se produce en el circuito (excepción en algún caso de regulación de velocidad y de los multiplicadores de presión). Las tuberías de retorno (5) son tuberías por las que el aceite retorna desde el distribuidor hasta el depósito. Deberá analizarse el caudal que realmente circula por ella. En éstas, el fluido circula sin apenas presión. Las tuberías de distribución hacia los actuadores (3) y (4) son tuberías que cumplen la doble función de tuberías de presión y retorno, dependiendo del sentido de movimiento del actuador. En estas tuberías es necesario buscar un cierto equilibrio, se trata de dimensionarlas como tuberías de presión pero con cierta generosidad para que cumplan adecuadamente también la función como tuberías de retorno. Además el caudal puede no ser el mismo según el sentido del movimiento.

Tuberías

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Valores de cálculo

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Aspiración

V = 1 m/s

Presión

V = 4 m/s

Retorno

V = 2 m/s

Para resolver problemas básicos de diseño se utilizará el "valor de cálculo". Luego se determinará el valor comercial, siempre igual o superior al diámetro interno mínimo.

Potencia y rendimiento Para determinar la potencia necesaria en una máquina, poco importa si se realiza a través de un sistema hidráulico o mediante una transmisión mecánica convencional. El trabajo final siempre será el mismo independientemente del medio de transmisión utilizado; la potencia necesaria en uno y otro caso tambén lo será. Únicamente habrá que tener en cuenta en el cálculo real la potencia motriz y el rendimiento total de la instalación, que puede ser diferente en el caso de la transmisión mecánica convencional o de la transmisión hidráulica. En el caso de un movimiento lineal como el que se desarrollaría un cilindro, la potencia mecánica del vástago será: NKW = (F*V) / 100 Siendo: NKW = Potencia en KW. F = Fuerza en daN. V = Velocidad en m/s. o bien: NCV = (F*V) / 73,5 Siendo:

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NCV = Potencia en CV. F = Fuerza en daN. V = Velocidad en m/s. Este caso ha sido referido a potencia mecánica o a la potencia que realiza trabajo, sin tener para nada en cuenta que se trata de una transmisión hidráulica donde la velocidad de traslación del vástago, en el caso de movimiento lineal, y la de giro del eje en los circulares, dependerá del caudal del aceite que proporciona la bomba. Suponiendo nulas las pérdidas energéticas en la instalación o rendimiento donde se incluye la propia bomba, las tuberías, los racores, los componentes diversos y los órganos receptores como los cilindros, los motores y los actuadores de giro, la potencia hidráulica en la bomba tendrá que coincidir necesariamente con la potencia mecánica mencionada. NKW = (P*Q) / 612 Siendo: NKW = Potencia en KW. P = Presión de la bomba en bar. Q = Caudal de la bomba en l/min. o bien en esta otra: NCV = (P*Q) / 441 Siendo: NCV = Potencia en CV. P = Presión de la bomba en bar. Q = Caudal de la bomba en l/min. Es evidente que esta potencia en el componente matriz, o sea, en el motor, será insuficiente para desarrollar la potencia mecánica necesaria en el vástago del cilindro o a la salida del motor hidráulico. La razón se encuentra en que es preciso considerar el rendimiento global de la instalación. En este rendimiento pueden considerarse cuatro partes diferentes: la bomba, las tuberías, los aparatos diversos y los actuadores. En lo que a la bomba se refiere, por una parte se tiene en cuenta el rendimiento volumétrico (depende de las fugas internas que se producen en la bomba) y, por otra parte, el rendimiento mecánico (fricciones entre elementos mecánicos, fricción del aceite con las paredes y fricción de las propias partículas del fluido). El rendimiento total será pues: ηb = ηv * ηm Donde: ηb = Rendimiento de la bomba en % ηv = Rendimiento volumétrico en % ηm = Rendimiento mecánico en % El rendimiento de la instalacón hidráulica excluida la bomba y el actuador, es complejo y, por tanto, como no es posible garantizar cierta precisión en el cálculo teórico de las pérdidas, haremos una valoración global basada en la experiencia. ηi = Rendimiento de la instalación excluidas la bomba y el actuador % Las pérdidas que se originan en cilindros, motores y actuadores lineales son de naturaleza similar a las originadas en la bomba: pérdidas de caudal al pasar éste de una a otra cámara del pistón de los cilindros, pérdidas por fricción, etc. El rendimiento total de tales elementos será: ηa = ηv * ηm Donde: ηa = Rendimiento del actuador en % ηv = Rendimiento volumétrico en % ηm = Rendimiento mecánico en %

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Lo anteriormente expuesto en cuanto a rendimiento se refiere, lleva a considerar un rendimiento total de la instalación que habrá que tener en cuenta al evaluar la potencia necesaria en el motor que se encargará de accionar la bomba del sistema. El rendimiento total se obtiene: ηt = ηb * ηi* ηa Para terminar, el valor de la potencia necesaria en el motor del sistema hidráulico se obtendrá añadiendo el rendimiento global: NKW = (P*Q) / (612*ηt) o bien: NCV = (P*Q) / (441*ηt)

Actividad

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Caudal, velocidad y seccion: 2.1.- Demostrar la fórmula V = Q /(6*S), sabiendo que se cumple cuando la velocidad viene dade en m/s, el caudal en l/min y la sección en cm2. 2.2.- Por una tubería de 3/8 de pulgada de diámetro interno se desplaza el aceite a una velocidad media de 0.75 m/s. ¿Cuál es el caudal en l/min?. 2.3.- ¿Qué diámetro interno debe tener una tubería por la que circulan 60 l/min a una velocidad media de 3 m/s? 2.4.- Si la velocidad del fluido por una tubería de 10 mm de diámetro interno es de 3.5 m/s, calcular el volumen de líquido que circula por minuto. 2.5.- Qué diámetro interno de tubería se debe utilizar para que un caudal de 25 l/min circule a una velocidad de 5.5 m/s. 2.6.- Qué caudal pasa por una tubería de 3/4" de diámetro interno si la velocidad del fluido en ella es de 4.6 m/s. 2.7.- Por una tubería de 30 mm de diámetro interno circula aceite a razón de 20 l/min. Hallar la velocidad media con la que fluirá el aceite por un punto en el que la tubería se estrecha hasta un diámetro de 20 mm. 2.8.- Por una tubería de 30 mm de diámetro interno circula aceite a razón de 20 l/min. Hallar la velocidad con que fluirá el aceite si pasa por una tubería de 20 mm de diámetro. 2.9.- ¿Qué caudal se debe suministrar a un cilindro 60/40/300 de doble efecto y de un solo vástago si el tiempo de salida del vástago se tiene que realizar en 2 segundos?. Con este mismo caudal, ¿Qué tiempo tardará en retroceder? (Suponer rendimiento volumétrico ηv = 1) 2.10.- A qué velocidad avanza y retrocede un cilindro 50/25/500 de doble efecto y de un solo vástago si es alimentado con un caudal de 30 l/min?. (Suponer rendimiento volumétrico ηv = 0.95 para el avance y ηv = 0.98 para el retroceso). Viscosidad: 2.11.- En un ensayo en el viscosímetro de Engler, una cantidad de 200 cm3 de aceite a 40ºC ha tardado 115 s. Si la misma cantidad de agua a 20ºC tarda 51.6 s, ¿cuál es la viscosidad en ºE? 2.12.- Cúal será la viscosidad en ºE de un aceite que a la temperatura de 40ºC tiene una viscosidad de 50 cSt. 2.13.- Cúal será la viscosidad en ºE de un aceite que a la temperatura de 20ºC tiene una viscosidad de 92 cSt. 2.14.- Cúal será la viscosidad en Centistoke de un aceite que tiene una viscosidad de ºE20 = 11.35. Sección tuberías: 2.15.- ¿Cuál debe ser el diámetro mínimo y el diámetro comercial de una tubería de aspiración para que la velocidad del fluido en esta tubería se encuentre entre los valores admisibles, cuando se cuenta con una bomba que da un caudal de 16 l/min? 2.16.- ¿Cuál debe ser el diámetro mínimo y el diámetro comercial de una tubería de retorno a tanque para que la velocidad del fluido en esta tubería se encuentre entre los valores admisibles, suponiendo que se descargan por dicha tubería 30 l/min? Rendimiento y potencia: 2.17.- Determinar la potencia necesaria en un elevador que debe elevar una carga de 2 Tn a una velocidad de 1.5 m/s. Despreciamos pérdidas en las trasmisiones. 2.18.- Demostrar la fórmula N = (P*Q)/441 sabiendo que se cumple cuando P viene dada en bar, Q el l/min y N en CV. 2.19.- Calcular la potencia que se disipa en un estrangulamiento sabiendo que por él pasa un caudal de 80 l/min y que la presión antes del estrangulamiento es de 10 Kp/cm2 y tras él de 70 Kp/cm2. Solución en Kw y CV. 2.20.- Suponiendo pérdidas nulas. ¿Cuál debe ser la potencia en CV de un motor de arrastre para una bomba hidráulica que debe ser capaz de dar un caudal de 8 l/min con una presión máxima de 70 bar?. 2.21.- ¿Cuál será el rendimiento total de la bomba σb, cuando el rendimiento volumétrico es de 0.92 y el rendimiento mecánico es del 85%? 2.22.- Suponiendo una bomba con rendimiento volumétrico de 0.92 y el rendimiento mecánico de 85% ¿Cuál debe ser la potencia en CV de un motor de arrastre para una bomba hidráulica que debe ser capaz de dar un caudal de 8 l/min con una presión máxima de 70 bar?. 2.23.- De una instalación hidráulica tenemos los siguientes datos:

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rendimiento volumétrico de la bomba ηv = 0.96 rendimiento mecánico de la bomba ηm = 0.89 rendimiento de la instalación excluidas bomba y actuador ηi = 0.79 rendimiento volumétrico del cilindro ηv = 0.98 rendimiento mecánico del cilindro ηm = 0.88 Se desea saber: a) Rendimiento total de la bomba ηb b) Rendimiento total del actuador ηa c) Rendimiento total ηt 2.24.- ¿Cuál es el rendimiento mecánico de una bomba hidráulica que es capaz de dar un caudal de 4.3 l/min con una presión máxima de 60 bar, si el rendimiento volumétrico es ηv = 0.98 y el motor de arrastre es de 1 CV? 2.25.- De una instalación hidráulica de un elevador tenemos los siguientes datos: rendimiento volumétrico de la bomba ηv = 0.95 rendimiento mecánico de la bomba ηm = 0.83 rendimiento de la instalación excluidas bomba y actuador ηi = 0.72 rendimiento volumétrico del cilindro ηv = 0.99 rendimiento mecánico del cilindro ηm = 0.79 Potencia del motor de arrastre 5 Kw. Velocidad de elevación 2m/s Diámetro del pistón del cilindro 75 mm Calcula la carga total máxima de elevación.

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Centrales hidráulicas y bombas Objetivos . Reconocer las distintas partes que constituyen las centrales hidráulicas. . Estudiar los distintos tipos de bombas utilizadas en las instalaciones hidráulicas. . Conocer los elementos que contienen y las características técnicas de los limitadores de presión.

Centrales hidráulicas: Los grupos de presión, denominados también centralitas hidráulicas, integran en general como mínimo los siguientes componentes: un motor, una bomba, un depósito de aceite, una válvula limitadora de presión, filtros, un manómetro, un tapóm desvaporador y un nivel de aceite.

La función principal de los depósitos o tanques es almacenar el fluido hidráulico suficiente como para alimentar de aceite a los elemntos de trabajo y garantizar también unas reservas mínimas en el circuito. También deben permitir, a través de sus paredes, la disipación del calor que se genera en la instalación durante las fases de trabajo.

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1.- Tapón de vaciado. 2.- Filtro de aspiración. 3.- Aceite. 4.- Conducto de aspiración. 5.- Tapa que cubre la superficie superior del tanque. 6.- Tapón con triple función: Tapón del conducto de llenado, filtro de llenado, filtro de aire con desvaporador de aceite. 7.- Pared de chapa abierta en la parte inferior. 8.- Conducto de retorno del aceite. 9.- Fondo del tanque con ligera pendiente a ambos lados. 10.- Indicador de niveles (y temperatura).

Válvula limitadora de presión: En todo sistema hidráulico debe montarse una válvula limitadora de presión con objeto de garantizar la protección de toda la instalación. No se limita a los componentes hidráulicos y a las tuberías, sino también al propio motor eléctrico que acciona la bomba.

1.- Motor eléctrico. 2.- Bomba.

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3.- Válvula limitadora. 4.- Tanque. La válvula limitadora se encarga de reenviar el aceite al depósito una vez se ha superado en el circuito la presión a la cualhan sido reguladas. Es muy importante tener en cuenta que cuando estas válvulas abren para descargar al depósito, lo hacen a presión máxima. lo cual significa que el motor en ese momento está desarrollando también su máxima potencia y realizando un trabajo inútil que se convierte en calor.

Cuando en la toma (1) de entrada de aceite se alcanza una determinada presión capaz de vencer la resistencia del resorte (4), el cono de asiento, bola o cilindro de cierre (2), abre, y el aceite retorna al depósito por el conducto de escape (7). En el cuerpo principal de la válvula (3) se aloja también el tornillo roscado (5) y el pequeño volante correspondiente, utilizados para la regulación de la presión. La contratuerca (6) se emplea para bloquear el giro accidental del volante.

Bombas hidráulicas: Las bombas hidráulicas son máquinas hidrostáticas cuya misión es la de alimentar los aparatos bajo una presión y caudal determinados. Existen diversos procedimientos y modelos de bombas, siendo las principales las que se relacionan y estudian a continuación: Bombas de accionamiento manual. Bombas de engranajes. Bombas de paletas. Bombas de pistones (radiales y axiales). Bombas de tornillo. Las bombas son accionadas por motores que les imprimen una velocidad a partir de la cual pueden desarrollar su función de poner el líquido en movimiento a una determinada presión. Los procedimientos de motorización más importantes son: Motores eléctricos. Motores de gasolina y gas-oil. Las bombas que se utulizan en los circuitos hidráulicos empujan el aceite y lo obligan a circular por la instalación, tanto si encuentra poca resistencia como si encuentra mucha, por lo que estas bombas se las denomina de flujo positivo y suministran un caudal constante. También reciben el nombre de bombas volumétricas. El caudal suministrado por las bombas volumétricas depende de su cilindrada, que es el volumen teórico de aceite que desplaza por cada vuelta o revolución y su valor viene dado en l/min. Q = ( V . n . ηv ) / 1000 siendo: Q caudal en l/min. V Volúmen o caudal geométrico que genera una bomba, en cm3. n Velocidad de giro en rpm. ηv Rendimiento volumétrico. Los rendimientos volumétricos de las bombas más utilizadas son del orden de: Bomba de engranajes: 0.75 a 0.85 Bomba de paletas: 0.90 a 0.95 Bomba de pistones: 0.70 a 0.95 La presión se manifiesta en el momento en el que el fluido encuentra resistencia y que tendrá un límite en función al tipo de

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bomba de que se trate. Bombas de accionamiento manual:

El funcionamiento de la bomba manual es el siguiente: Al subir el émbolo se aspira el aceite, que irá llenando la cámara A, a medida que avanza, permaneciendo abierta la tapa 1 y cerrada la 2. Al bajar el vástago se cierra 1 y se abre 2. En este movimiento el aceite contenido en la cámara A pasa a la cámara B.

Bomba de engranajes. Las bombas de engranajes son las más utilizadas en aplicaciones hidráulicas, ya que abarcan una amplia gama de utilizaciones: Trabajan a presiones que pueden superar los 200 bar en régimen continuo y en una sola etapa. Funcionan a velocidades comprendidas entre 500 y 3500 rpm. Son de construcción sólida y de volumen reducido. Existe una amplia gama de caudales, pero a caudal fijo. El rendimiento en condiciones normales máximas oscila entre 85 y 90%, que baja rápidamente con el desgaste de la bomba.

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Una bomba de engranajes consta básicamente de: Una carcasa exterior que en su interior aloja los engranajes y en el exterior tiene los acoplamientos roscados para conectar el conducto de aspiración por un lado y por el otro el conducto de impulsión. En el interior de la carcasa están los dos engranajes o piñones, siendo uno el motriz o conductor y que está acoplado en el exterior al eje del motor y el otro pinón el conducido. Los piñones están ajustados a la carcasa y tienen las holguras normales entre dientes de ambos piñones, a través de los cuales el líquido aspirado es conducido hacia el lado de la impulsión. El caudal y la presión vienen dados por la capacidad o volumen que tienen los huecos u holguras entre dientes y el ajuste entre los mismos. Los dientes de los piñones para uso en bombas tienen un tallado diferente que los convencionales. Bombas de paletas. Se utilizan para bajas presiones, pudiendo ser la cilindrada fija o variable.

Una bomba de paletas consta básicamente de: Una carcasa de forma cilíndrica dentro de la cual y excéntrica a la misma gira un rotor sobre el cual van dispuestas radialmente las paletas, que están alojadas en unas guías. Al girar el rotor, las paletas son despedidas por la fuerza centrífuga contra las paredes de la carcasa en su parte interior, formando cámaras entre paletas que al avanzar y aumentar el volumen durante el giro cra una depresión que aspira el aceite que viene detrás para llenarlas. Una vez rebasado el punto de máxima excentricidad, el volumen de la cámara se va reduciendo y el aceite es expulsado al circuito a una presión elevada. Debido a los desequilibrios que se producen en el rotor por la presión, que se encuentra localizada en una determinada zona del mismo, las aplicaciones de esta bomba están limitadas a casos en los cuales las presiones de trabajo no superen los 70 bar. Los rendimientos globales de estas bombas suelen rodar el 80%.

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En la misma figura se muestra una bomba de paletas en la cual el efecto anteriormente mencionado ha sido resuelto construyendo el alojamiento del rotor de forma elíptica y simétrica. Aquí se produce una doble aspiración y presión en lados opuestos, con lo cual se produce un equilibrio de fuerzas y pares. Las bombas de paletas se caracterizan por ser considerablemente más silenciosas que las de engranajes.

Las bombas de rotor no equilibrado pueden convertirse en bombas de caudal variable a base de modificar la excintricidad de dicho rotor desplazando el anillo que sirve de alojamiento. Bomas de pìstones: Los pistones describen un recorrido alternativo, con lo que entran aspirando aceite, para luego expulsarlo hacia el circuito. Son utilizadas para grandes presiones que pueden ser desde 150 hasta 2000 bar. El rendimiento volumétrico para estas bombas puede llegar al 100%. El caudal que pueden suministrar estas bombas llega hasta los 250 l/min. Las velocidades de rotación son elevadas y pueden llegar a las 7000 rpm. Las bombas de pistones pueden ser de caudal fijo o variable. El caudal de estas bombas es muy regular cuando dispone de varios pistones. Se distinguen tres tipos: Bombas de pistones en linea:

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Tienen cilindrada fija. El rendimiento total puede llegar al 97%. Presiones de servicio que pueden superar los 500 bar. Construcción simple. Bombas de pistones radiales:

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Pueden ser de cilindrada fija o variable. La presión de servicio puede superar los 500 bar. Estas bombas pueden alcanzar las 3000 rpm. Se pueden independizar los caudales de cada pistón. Bombas de pistones axiales:

Pueden ser de cilindrada fija o variable. Las presiones de servicio pueden llegar hasta los 2000 bar.

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La regulación de caudal se consigue modificando el ángulo que forma el plato con el eje de la bomba, lo que hace variar la carrera del pistón y con ella la cilindrada. Bombas de tornillo:

Consta de un cuerpo (1) en cuyo interior se alojan trea husillos de perfil especial, engranando unos con otros. El husillo central (2) es el motriz, y los dos laterales (3) los conducidos. Al girar dichos husillos, el caudal constante se desplaza longitudinalmente aumentando progresivamente la presión. Tienen buen rendimiento, sobre el 90%, pueden alcanzar presiones de hasta 180 bar y su eje puede girar a altas velocidades (3000 a 5000 rpm).

Actividad Caudal, cilindrada y rpm:

1.1.- ¿Cuál es el número de rpm al que debe girar una bomba 3 hidráulica cuyo volumen de extracción es de 40 cm /rev, para que dé un caudal de 90 l/min? (Suponer rendimiento ηv = 1) 3

1.2.- ¿Qué magnitud tiene el volumen de extracción en cm /rev, si una bomba hidráulica de engranajes suministra un caudal de 40 l/min a 1200rpm? (Suponer rendimiento ηv = 1) 1.3.- ¿Cuál que se sabe rendimiento

será la cilindrada de una bomba de paletas de la que a 2000rpm da un caudal de 100 l/min? (Suponer ηv = 0.95)

1.4.- El volumen de extracción de una bomba de engranajes es de 3 20 cm /rev. Con ella se desea obtener un caudal de 30 l/min. ¿a qué velocidad debe girar el motor eléctrico que acciona la bomba, suponiendo el acoplamiento directo? (Suponer rendimiento ηv = 0.70) 1.5.- Una bomba debe suministrar un caudal de 30 l/min, pero por fugas se pierden 0,5 l/min. Hallar el caudal real de la

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bomba, su rendimiento representan la fugas.

volumétrico

y

el

porcentaje

que

1.6.- El volumen de extracción de una bomba de engranajes 3 internos es de 50 cm /rev. ¿A qué revoluciones tiene que girar para poder disponer de un caudal de 100 l/min, sabiendo que el rendimiento volumétrico de la bomba es del 90%? Potencia y rendimiento:

1.7.- Calcular el rendimiento total de una bomba hidráulica, sabiendo que su potencia hidráulica es 16 C.V. y la potencia perdida 1,8 C.V. 1.8.- Calcular la potencia que pierde una bomba hidráulica de rendimiento total ηt = 0.85, si la potencia hidráulica es de 40 CV. 1.9.- Sea una bomba hidráulica que, según su construcción, tiene un caudal teórico de 4,070 l/min y en la que se experimenta una pérdida de caudal de 0,204 l/min. Determinar el caudal efectivo y el rendimiento volumétrico.Si el rendimiento mecánico es del 87%, hallar el rendimiento total. 1.10.- Calcular la potencia del motor eléctrico necesario para accionar las siguientes bombas, suponiendo el rendimiento del motor η = 0,85. 3

a)De engranajes: 50 cm /rev Ptrabajo=100 bar n=800rpm. Rendimiento volumétrico ηv = 0.82 y rendimiento mecánico ηm = 0.85. 3

b)De paletas: 75 cm /rev Ptrabajo=140 bar n=900rpm. Rendimiento volumétrico ηv = 0.92 y rendimiento mecánico ηm = 0.83. 3

c)De pistones radiales: 20 cm /rev Ptrabajo=400 bar n=1000rpm. Rendimiento volumétrico ηv = 0.75 y rendimiento mecánico ηm = 0.87. 3

d)De pistones axiales : 1000 cm /rev Ptrabajo=300 bar n=1100rpm. Rendimiento volumétrico ηv = 0.82 y rendimiento mecánico ηm = 0.85. 1.11.- Una bomba de émbolos o pistones axiales y plato inclinado variable, da un volumen de extracción entre 0 y 150 3 cm /rev, dependiendo de la inclinación del plato. Sabiendo que el motor eléctrico que la acciona gira a 400rpm, ¿entre qué valores puede variar el caudal? (Suponer rendimiento ηv = 0.80) 1.12.- Una bomba dispone de 14 paletas. La capacidad de aceite 3 en cada cámara formada por 2 paletas consecutivas es de 20 cm . La bomba es compensada en esfuerzos por lo que tiene 2 entradas y 2 salidas diametralmente opuestas. Determinar el caudal que nos brindará cuando gire a 800rpm, si su rendimiento volumétrico es del 85%. 1.13.- El número de dientes de la rueda matriz de una bomba de engranaje es 10. La cámara formada por 2 dientes, el cuerpo y 3 las placas laterales admite un volumen de aceite de 4 cm .

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Girando el motor eléctrico a 450rpm, bomba?. (Suponer rendimiento ηv = 0.75)

¿qué

caudal

dará

la

¿Qué habrá que hacer para que esa bomba dé un caudal de 270 l/min? 1.14.- Los 9 cilindros que componen una bomba axiales tienen las siguientes características:

de

émbolos

Diámetro interior : 40 mm. Diámetro vástago:15 mm. Carrera: 30 mm. Calcular el caudal que se puede obtener a 500rpm y a 650rpm. (Suponer rendimiento ηv = 0.82 y rendimiento mecánico ηm = 0.87) Cuando gire a 500rpm, si la presión máxima de trabajo es de 185 bar, ¿cuál será la potencia del motor eléctrico necesario suponiendole un rendimiento del 70%? 1.15.- Una bomba hidráulica suministra un caudal de 15 l/min 2 venciendo una presión de 100 Kp/cm . Su rendimiento total es 85%. Calcular la potencia mecánica que se necesita en el motor eléctrico para su accionamiento y la potencia perdida en la bomba. 1.16.- La unidad primaria (bomba hidráulica) de una transmisión tiene los siguientes rendimientos: ηv=0.88 y ηm=91,5% y la unidad secundaria (motor hidraúlico): ηv=96% y ηm=98%. Calcular el rendimiento total de la transmisión.(Suponer rendimiento ηi = 0.95)

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Accionamientos hidráulicos Objetivos . Saber clasificar los diferentes accionamientos hidráulicos. . Conocer la constitución, funcionamiento y cálculo de los accionamientos hidráulicos.

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Son cuatro los tipos fundamentales de accionamientos hidráulicos: Cilindros. Motores. Accionadores rotativos. Pinzas. De todos ellos, los más importantes son los cilindros, pues son los componentes de trabajo que con mayor frecuencia se utilizan en las máquinas.

Cilindros de doble y simple efecto: El principio de funcionamiento es el mismo para ambos casos, ya que al penetrar aceite en una de las cámaras, el pistón avanz. En el de doble efecto el empuje tiene lugar en ambos sentidos, ya que, de forma alternativa, el aceite penetra en una o en otra cámara ; en el de simple efecto sólo se alimenta una cámara a presión y, por tanto, el trabajo se realiza en ese único sentido.

En la figura puede apreciarse la constitución interna de un cilindro de doble efecto donde se muestran los componentes esenciales y el modo de funcionamiento. Al penetrar aceite a presión por el conducto (14) que alimenta a la cáma (13), el pistón (5) y el vástgao (7) avanzan. Mientras tanto el aceite de la cámara (16) se desaloja hacia el tanque a través del conducto (17). Para que el vástago se repliegue volviendo a su posición original, es preciso que se invierta el proceso; esta vez el fluido debe penetrar por (17) hacia la cámara de retroceso (16) y, a la vez, el aceite presente en la cámara (13) retornará a tanque a través del conducto (14). Otros elementos que conforman este cilindro son: 1.- Tapa posterior. 2 y 8.- Purgador. 3.- Tuerca de fijación pistón-émbolo. 4.- Junta dinámica de estanqueidad 6.- Camisa o tubo. 9.- Junta de estanqueidad estática. 10.- Tapa anterior. 11.- Junta dinámica de cierre 12.- Anillo rascador.

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La figura muestra un cilindro de simple efecto. Es similar al de doble efecto en sus componentes esenciales. El aceite aquí penetra en la cámara (1) de avance a través del orificio (7) para hacer avanzar el vástago, mientras tanto el aire del recinto (4) es desalojado al exterior a través del conducto (5). Cuando el aceite de (1) se comunica libremente con el retorno a tanque, el resorte (3) antagonista, que se halla comprimido, se expande y hace retroceder al vástago del cilindro a su posición original.

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Actividad

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Presión, fuerza y superficie (Repaso):

1.1.- ¿A qué valor hay que ajustar la presión para un cilindro de simple efecto, si éste tiene un émbolo de 60 mm. de diámetro y ha de vencer una resistencia de 2000 daN? No se tendrá en cuenta el peso propio del émbolo, el rozamiento ni la fuerza del muelle. 1.2.- Con el émbolo de trabajo de un cilindro de simple efecto de 100 mm. de diámetro ha de levantarse una carga. La presión ajustada en la limitadora de presión es de 10 bar. Determinar la carga máxima que podrá levantarse en daN. No se tendrá en cuenta el peso propio del émbolo, el rozamiento ni la fuerza del muelle. 1.3.- ¿Qué presión en bares, deberá actuar sobre la cámara anterior de un cilindro de doble efecto 200/120/800, si la resistencia que debe vencer en su avance es de 1500 daN? 1.4.- ¿Qué magnitud debe tener la presión en bar en el lado del émbolo y la presión en lado del vástago, si tanto el avance como el retroceso ha de proporcionar una fuerza de 3000 daN? Démbolo=100 0.75)

mm.

Dvástago=

60

mm.

(Suponer

rendimiento

ηm

=

1.5.- En la placa de características de un cilindro de simple efecto, constan los siguientes datos: Dpistón= 40 mm. Dvástago= 28 mm., carrera= 250 mm.. Pmáx= 120 bar. Hallar: La superficie del pistón. La fuerza del pistón en daN para una presión de 20 bar. (Suponer rendimiento ηm = 0.65) 1.6.- A las 2 cámaras de un cilindro de doble efecto, se manda aceite a la misma presión. ¿Se desplazará el vástago? En caso afirmativo, ¿en qué sentido?, ¿por qué?

Caudal, velocidad y sección (Repaso):

1.7.- ¿Qué caudal se debe suministrar a un cilindro 60/40/300 si la salida del vástago se tiene que realizar en 2 segundos? Con ese caudal, ¿qué tiempo tardará en retroceder? (Suponer rendimiento ηv = 1) 1.8.- ¿Con qué velocidad sale el vástago de un 50/25/500 si es alimentado con un caudal de 30 l/min?

cilindro

(Suponer rendimiento ηv = 1) 1.9.- Una bomba de engranaje suministra un caudal de 12 l/min. Dicho caudal actúa sobre un cilindro de simple efecto con un émbolo de trabajo de 100 mm. de diámetro. Calcular la velocidad de avance del émbolo de trabajo. (Suponer rendimiento ηv = 1) 1.10.- En un cilindro de doble efecto, con émbolo de 150 mm. De

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diámetro y vástago de 80 mm. de diámetro, ¿qué velocidades de avance y retorno se obtienen si en ambos lados actúa un caudal de 50 l/min? (Suponer rendimiento ηv = 1)

Problemas mixtos. (Repaso general):

1.11.- En la placa de características de un cilindro de doble efecto constan los datos: Dpistón= 40 mm.; Dvástago= 28 mm.; carrera= 250 mm. y Pmáx= 50 bar. La bomba proporciona un caudal de 8 l/min. Hallar: Las fuerzas en avance y en retroceso. Las velocidades del pistón en avance y retroceso. (Suponer rendimiento ηv = 0.75 y ηm = 0.67) 1.12.- El diámetro interno de un cilindro es de 100 mm.. El diámetro del vástago de 20 mm. y la carrera de 800 mm. (Suponer rendimiento ηv = 0.85 y ηm = 0.57) a) Si al cilindro le llega un caudal de 20 l/min, ¿ cuánto tiempo tardará en el avance y cuánto en el retroceso? b) Si este cilindro debiera de tardar 6 segundos avance,¿qué caudal le tendríamos que suministrar?

en

el

c) Suponiendo que en el caso anterior (b), la presión de trabajo es 30 bar, hallar la potencia de la bomba y la del motor eléctrico para estas acciones, si el rendimiento se este motor es de 0,85. 1.13.- Un cilindro de doble efecto vertical, debe elevar a 0,5 m una carga de forma cúbica de un metro de lado, de la que se conoce su densidad 1,2 Kg/dm3. Suponiendo las resistencias en las juntas de un valor de 10 daN, calcular las dimensiones del cilindro necesario, si la presión de trabajo es de 75 bar. (Suponer rendimiento ηv = 0.85 y ηm = 0.57) ¿Qué caudal habrá que suministrarle para que la carga ascienda en 3 segundos? 1.14.- Se va a diseñar un circuito para un taladro en el que se debe vencer un esfuerzo de 200 daN. Se dispone de una bomba de 50 l/min. La presión de trabajo interesa que sea de 40 bar. (Suponer rendimiento ηv = 0.85 y ηm = 0.57) Determinar: a) El diámetro del cilindro necesario; b) Los diámetros de las tuberías de aspiración y presión, tomando como velocidades adecuadas las máximas recomendadas.

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Motores Los motores hidráulicos son máquinas que transforman la energía del fluido en una energía mecánica de rotación. Trabajan de forma inversa a como lo hacen las bombas y su constitución interna es prácticamente igual, tanto es así que determinadas bombas pueden ser utilizadas alternativamente como bombas o como motores, simplemente modificando la función de los conductos de aceite, que unas veces serán de admisión, para el caso de las bombas, y otras el mismo conducto lo será de presión, en el caso de ser utilizadas como motores. Principales tipos de motores hidráulicos: Motores de engranajes: De igual tecnología que las bombas de engranajes. Son motores de gran sencillez a la vez que económicos, pero tienen el inconveniente de que su par de arranque es bajo (=