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PROLOGO La hidráulica es una de las ramas de la Ingeniería, que como muchas otras han venido desarrollando grandemente en las ultimas décadas y se ha venido convirtiendo en una herramienta cada vez más importante para los diseñadores de maquinas o profesionales trabajadores del ramo. Desde hace muchos siglos se uso la hidráulica para trasmitir potencia, aprovechando la energía del agua en una corriente para mover una rueda, que a su vez tomaba esa agua y la levantaba para poder transportarla y usarla para riego y otras cosas. El uso del fluido bajo presión para transmitir potencia y controlar movimientos complejos, es mas reciente. En el siglo pasado, durante la revolución industrial en Inglaterra, se empezó a utilizar agua confinada a alta presión para transmitir potencia y desde entonces su uso se ha venido generalizando cada vez más Un fluido confinado es uno de los medios más versátiles para modificar y controlar movimientos y transmitir potencia. Es tan resistente como el acero y, además, infinitamente flexible. Cambia de forma para adaptarse al cuerpo que resiste su empuje, se puede dividir en partes, cada parte haciendo el trabajo a su medida y puede ser reunido para que trabaje en conjunto. Las leyes que lo manejen son iguales o más sencillas que otras leyes de la mecánica o la electricidad y, sin embargo, hay una falta grande de orientación en este campo, lo cual hace que muchas personas no puedan gozar de los beneficios que ofrecen los sistemas hidráulicos. Por esta razón he querido elaborar esta guía general sobre las posibilidades que se pueden tener en cuenta con los distintos elementos que podrían intervenir en un sistema hidráulico, sin pretender que esta sea la información mas profunda y completa que haya sobre este tema tan extenso. Se tratara de explicar de la manera mas clara y sencilla posible, la forma como trabajan algunos de los elementos más comunes que conforman cualquier sistema hidráulico, sin distingo de marcas o tipos, ya que la estandarización es alta hoy en día. También se darán algunas pautas para el diseño de un circuito hidráulico. sobre todo con el fin de hacer comprender mejor la forma como trabajan los sistemas existentes Finalmente se tendrán algunas recomendaciones sobre como mantener en optimas condiciones un sistema hidráulico
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TABLA DE CONTENIDO ♦ • ∗ ∗
INTRODUCCION A LA OLEOHIDRAULICA Sistemas de Transmisión de Potencia Hidrostática Elementos de un Sistema Hidráulico
4 6 10 17
∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗
ACTUADORES Cilindros Hidráulicos De Simple Efecto De Doble Efecto Motores Hidráulicos De Engranajes De Paletas De Pistones
22 23 24 27 34 35 38 41
♦ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗
IMPULSORES Bombas De engranajes De Paletas De Pistones Acumuladores Multiplicadores de Presión
45 46 46 48 54 59 62
♦ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗
VALVULAS Válvulas de Retención Válvulas Direccionales Válvulas Direccionales Proporcionales Controles de Presión Válvulas de Alivio Válvulas de Secuencia Válvulas de Contrabalance Válvulas de Descarga Válvulas Reductoras de Presión Válvulas de Alivio-Descarga Válvulas Proporcionales de presión Controles de Caudal No Compensados o Simples Compensados Proporcionales
64 65 67 78 81 82 84 86 88 90 91 92 93 95 96 97
♦ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗
CIRCUITOS TIPICOS Circuito simple, 1 actuador Sistemas de Alta y Baja Circuito Regenerativo Circuito con varias direccionales Hidrotransmision Circuito para prensa de vulcanizado
100 100 100 104 106 107 109
♦ ♦
ACCESORIOS Solución de ejercicios
110 114
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INTRODUCCION A LA OLEOHIDRAULICA
La óleo hidráulica se puede definir como la rama de la ingeniería mecánica que estudia el uso de fluidos incomprensibles (en este caso aceita y por esto el prefijo “óleo”), confinados y bajo presión, para transmitir potencia. En este capitulo se introducirán los elementos básicos que componen un sistema hidráulico y se estudiarán las leyes que determinan su comportamiento. Las siguientes son algunas de las representaciones que se utilizarán para los diferentes componentes de los sistemas hidráulicos.
CILINDRO BOMBA BOMBA
TANQUE
VALVULA DIRECCIONAL
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Estos son ejemplos de algunas de las maquinas en las que vemos la hidráulica aplicada hoy en día. Sus usos son tan diversos que es inconmensurable la variedad de opciones. El gato hidráulico, elemento que aunque su principio de funcionamiento es extremadamente simple , es muy versátil y confiable, además de ser indispensable para cualquier labor de mantenimiento mecánico.
La Inyectora de plástico, usada para inyectar plástico derretido en un molde y obtener así miles de elementos tales como vasos, tanques, platos, partes para autos, etc.
La prensa hidráulica, una de las maquinas mas usadas en la industria, para embutir, cortar, doblar, perforar, toda clase de metales. Capaces de desarrollar fuerzas tan bajas como 5 toneladas para operaciones pequeñas, y tan grandes como 2.000 ton. Como para cortar laminas de acero de gran calibre en acerías.
La excavadora hidráulica, maquina utilizada en la remoción de tierra para construir carreteras, edificaciones, etc. Maquina muy poderosa y versátil. Esta maquina pertenece a un segmento del mercado llamado “móvil” por su capacidad de moverse o desplazarse por si misma. Se caracteriza por tener un sistema hidráulico complejo.
La retroexcavadora o backhoe, maquina de tipo móvil, que cumple la misma función de la excavadora pero tiene pala adelante para arrastrar. Donde quiera que vayamos veremos equipos hidráulicos trabajando.
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SISTEMAS DE TRANSMISIÓN DE POTENCIA Existen diferentes tipos de sistemas de transmisión de potencia, como por ejemplo. -SISTEMAS ELECTRICOS
-SISTEMAS MECANICOS
-SISTEMAS NEUMATICOS
-SISTEMAS HIDRAULICOS o combinaciones de estos, pero todos tienen características similares. Todos tienen una entrada que normalmente consiste en una fuente con movimiento rotacional de velocidad constante o variable y que proporciona un toque que es variable y depende de la demanda del sistema. ♦
La carga o salida del sistema puede tener dos formas básicas:
•
Se puede necesitar mover una carga lineal, que requiere de una fuerza constante o variable a una velocidad determinada, que también puede ser variable o constante.
•
También se puede requerir mover una carga rotacional con un torque constante o variable, a una velocidad angular, también constante o variable.
Todos tienen una conformación parecida, que se puede dividir en los siguientes tres grupos: •
ENTRADA. Se tiene un transductor de entrada, que convierte la energía de la fuente en la energía que va a usar el sistema para transmitir (v.gr.: eléctrica, mecánica, hidráulica, etc.).
•
SALIDA Existe igualmente, un transductor de salida, que convierte la energía propia del sistema en la energía que requiere la carga.
•
ELEMENTOS DE CONTROL Para poder aprovechar al máximo la energía de la fuente y para poder adecuarse lo mejor posible a la carga es indispensable tener la posibilidad de controlar los niveles de energía del sistema y la ruta de la energía dentro del sistema en cada momento del ciclo de la carga 6
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transductor de salida de un motor eléctrico que da un torque a una velocidad angular, o un solenoide que da una fuerza a una velocidad lineal. El medio que sirve para la transmisión está conformado por líneas de cables conductores de electricidad. En un sistema mecánico, el transductor de entrada puede ser una polea o un piñón, el control se puede hacer cambiando el ancho de la polea para aumentar o disminuir su diámetro, o usando una serie de piñones de diferentes diámetros los cuales se usarían en diferentes momentos de un ciclo, según las necesidades de carga. El transductor de salida puede ser también una polea o un piñón, un eje, un convertidor de torque etc. El medio de transductor son correas, cadenas, palancas, etc. En un sistema hidráulico el transductor de entrada es una bomba que envía una cantidad determinada de aceite, que puede ser constate o varia con el tiempo. El control se hace a través de elementos que restringen la cantidad de aceite que circula en el sistema, otros que regulan las presiones máximas y otros que llevan el aceite a un punto u otro del sistema de acuerdo con el ciclo de carga. El transductor de salida puede ser un actuador hidráulico lineal (cilindro hidráulico), que genera una fuerza a una velocidad lineal o un actuador hidráulico rotacional (motor hidráulico) que genera un torque a una velocidad angular. El medio de transmisión es el fluido (generalmente aceite mineral) que se mueve a través de tuberías de alta presión. En la figura 2 se ve como un sistema de transmisión hidráulico está compuesto. La entrada de potencia que se acopla a la bomba que es el elemento que la recibe. La bomba la entrega a las válvulas por medio del aceite o fluido de transmisión y éstas se la entregan a los actuadores que pueden ser motores hidráulicos o cilindros.
RPM
PRESION
BOMBA TORQUE
PRESION
VALVULAS FLUJO
MOVIMIENTO
ACTUADOR FLUJO
FUERZA
Fig. 2 Como se transmite la potencia hidráulica. En la figura 3 se ilustra un sistema básico de transmisión de potencia hidráulica. La curva en la parte inferior de la figura, indica el nivel de energía en el sistema: La fuente es un motor que mueve la bomba de caudal fijo y le suministra una cantidad de energía que depende de la carga. La bomba succiona aceite de un tanque, lo cual representa un trabajo para ella, por esto la curva se inicia debajo del nivel cero de energía.
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SALIDA
ENTRADA
hidráulico
SALIDA
SALIDA
ENTRADA
ENTRADA
SUCCION
SUBIDA DE CARGA
RETORNO
Fig. 7 Funcionamiento de un “Gato” Hidráulico Hasta ahora no hemos hablado de la cantidad de aceite involucrado. Si en lugar de una bomba manual se le coloca a este gato una bomba automática que envía un flujo continuo, se obtendrá un desplazamiento también continuo del cilindro de “levante” CILINDRO
MOTOR
BOMBA
TANQUE
Fig. 8 “Gato” con bomba continua. La rapidez con que ocurra este desplazamiento va a depender de la cantidad de aceite que envíe la bomba, es decir, del caudal.
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En la figura 20 se muestra el corte de un cilindro hidráulico de doble efecto y se pueden ver todos sus componentes.
RETENEDOR EMPAQUE PISTON
BUJE RASPADOR
CAMISA BRUÑIDA “O” RING CAMISA AMORTIGUADOR
PISTON
VASTAGO
GUIA ANTIFRICCION TUERCA DEL TENSOR TAPA TRASERA TAPA DELANTERA
Figura 20 Corte de un cilindro de doble efecto Si a un cilindro de doble efecto se le hace vástago en los dos extremos, las áreas en las dos cámaras serán iguales. Este es un "cilindro de doble vástago". Este se usa cuando se requiere acoplar una carga en cada extremo o cuando se necesita el mismo desplazamiento, la misma fuerza o la misma velocidad en ambas direcciones. Cualquier cilindro de doble efecto se puede usar como uno de simple efecto conectando la salida de la cámara del vástago, o la que este inactiva, al tanque. Existen varias opciones en los cilindros de doble efecto, en lo que se refiere a su construcción, según las especificaciones de la carga. Primero, en lo que se refiere a la velocidad, se usan empaques de poliméricos si no se sobrepasa de 1 (un) pie por segundo. Por encima de esta velocidad se deben usar empaques metálicos, parecidos a los que se usan en los motores de combustión interna. Además, si esta velocidad es muy alta, es recomendable usar amortiguadores en los extremos, para que no se presenten golpes en los finales de carrera. 28
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También hay motores de engranajes internos, en los cuales se tiene uno de los engranajes rotando dentro del otro. Uno muy especial de este tipo es el motor de "ge rotor", en el que existe un rotor (conocido como ge rotor) normalmente de seis dientes o lóbulos que gira dentro de un estator que tiene siete dientes o lóbulos internos. Entre los dos quedan espacios o cámaras dentro de los cuales va el aceite y por diferencias en las áreas en las que actúa la presión . La figura 28 muestra a la izquierda un motor en corte donde se aprecian todas las partes internas. A la derecha en la misma figura, se ve un motor montado en su área de trabajo con las conexiones hidráulicas. En la parte inferior se muestran características típicas de estos motores En la figura 28A, parte superior izquierda se aprecian las cámaras de presión, el rotor y el estator, y en el centro el eje. Este ultimo esta descentrado con respecto al estator, lo cual hace que el centro del eje “orbite” alrededor del centro del estator. Por cada rotación del eje se logran 6 orbitas, lo cual conduce a que cada cámara esta sometida a presión y retorno 6 veces en cada vuelta, actuando como un reductor de velocidad planetario, es decir logrando el efecto de una reducción de velocidad de 6 a 1 y una multiplicación del torque 6 veces.
Figura 28 Motor ge rotor, vista y características. En la misma figura en la parte superior derecha, vemos que para poder hacer que el aceite se distribuya correcta y sincronizadamente se utiliza el bloque distribuidor o “manifold” y el 36
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que frecuentemente tienen una entrada y dos salidas una de alto caudal y la otra de bajo. En la figura 47 se muestran unas bombas dobles de paletas.
Figura 47 Bomba doble de paletas
Figura 48 Partes internas de las bombas de paletas, Conjunto rotativo
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En el segundo caso, al colocar la válvula despues del actuador (meter-out) (fig.91). Se genera una presión a la salida del actuador que produce un aumento de la presión a la entrada, hasta el punto que la parte sobrante del caudal sale por la válvula de alivio. Este tipo de control se usa sobre todo cuando se tiene un cilindro vertical y se tiene que bajar, o cuando la carga en el motor tiene una alta inercia. Si el control en alguno de estos dos casos, se coloca antes de la válvula direccional, éste solo controla la velocidad en ambas direcciones. Si se desea control de caudal independiente en los dos sentidos, se deben colocar dos controles, cada uno con una válvula de retención que permita el flujo libre en la dirección contraria a la del caudal controlado.
La última forma de controlar la velocidad es colocando el control en derivación al tanque antes del actuador (Fig. 92). La caída de la presión a través del control debe ser aproximadamente igual a la presión que se necesita para mover la carga. La ventaja de este tipo de control es que el valor de la presión del sistema es solamente la que se requiere para hacer el trabajo, lo cual implica menos perdidas de potencia, con la desventaja de que la graduación es más sensible.
Flujo controlado
10 in2
Control de flujo
Válvula de alivio
Contra presión
Presión máxima
Flujo sobrante
MOTOR
10 GPM
Figura 91. Control de flujo a la salida o “meter-out”
Presión de carga
Flujo controlado
Control de flujo
Válvula de alivio
Presión de carga
Actuador
Flujo sobrante
Existen tres tipos diferentes de controles de caudal básicos. Los no compensados, los compensados, y los de control proporcional. Su representación esquemática se puede apreciar en la parte izquierda superior de la figura 93. Las líneas curvas re presentan la restricción, que con la flecha indica que es variable y el check indica que hay flujo libre en una dirección.
Figura 92. Control de flujo en sangría.
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