apuntes hidroneumática

Prof. Javier Camacho Corona 1 Hidroneumtica

Instituto Politcnico Nacional Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica

Unidad Profesional Ticomn

HIDRONEUMTICA

CONTENIDO

Tema

Introduccin a la potencia fluida Sistemas hidrulicos Generacin de flujo Presin vs fuerza Friccin en los fluidos Potencia y trabajo Bombas hidrulicas Motores hidrulicos Cilindros hidrulicos Vlvulas de control direccional (VCD) Vlvulas de alivio Vlvulas unidireccionales (Check) Vlvulas de control de flujo Introduccin a la Neumtica

Pg.

2 7

13

14

17

20

22

26

27

32

40

45

47

51




INTRODUCCIN A LA HIDRODINMICA. POTENCIA FLUIDA

Principio de transmisin de la potencia fluida.

Una mera enumeracin, aunque sea incompleta, de los campos de aplicacin de la potencia fluida bastar para explicar por qu la industria de los controles hidrulicos y neumticos sigue siendo una cultura floreciente en la actualidad. - Mquinas-herramientas. Movimientos de la tabla de fresadoras, etc., avance de la mquina en tornos automticos, descenso de los taladros a la pieza, giro de los mismos, amordazamiento y sujecin de las piezas, movimientos diversos de traslacin y rotacin en tornos, fresadoras, brochadoras, etc. Las mquinas-herramientas modernas, incluso las pequeas, incorporan frecuentemente controles hidrulicos.

Aplicacin en mquinas herramienta




-Mquinas agrcolas. Palas mecnicas, cosechadoras, plantadoras, sembradoras, cavadoras, recogedoras, etc.

Aplicacin en maquinaria agrcola

-Mquinas de obras pblicas. Mquinas para remover basura, tierras, rocas; para construccin de carreteras, tneles, presas y construcciones portuarias; niveladoras de carreteras, cavadoras, trituradoras, taladradoras de roca, dragadoras, etc.

Aplicacin en maquinaria de obras pblicas




Aplicacin en maquinaria de obras pblicas

- Aplicaciones militares. Los aviones y barcos militares utilizan la hidrulica para el giro de las torretas, apunte de las bateras, accionamientos mltiples de toda clase de dispositivos en los portaaviones, etc.

Aplicaciones militares

- Industria minera. En las minas modernas se hace hidrulicamente desde la excavacin hasta la clasificacin, manejo y refinamiento del material. Las trituradoras, clasificadoras, palas mecnicas, gras, montacargas, etc. Incorporan controles y transmisiones hidrulicos. - Industria qumica. Control remoto de vlvulas, control de las puertas de las tolvas, accionamiento de las puertas de descarga en mezcladoras y cmaras de tratamientos, regulacin de la presin de los rodillos en las mquinas mezcladoras, empaquetadoras de productos qumicos y drogas, etc.




- Las industrias de la alimentacin, del automvil, de la madera, del papel, de los plsticos; as como las industrias textil, del caucho, artes grficas, etc. utilizan en multitud de procesos y operaciones semi-automticas y automticas, controles hidrulicos y neumticos.

Aplicacin en mantenimiento automotrz

- Los sistemas hidrulicos se emplean en las aeronaves como medios reforzadores de la accin de mando del piloto, tanto en vuelo, como para mover los mecanismos de la aeronave, como de manejo de la misma en tierra. Cuando se trata de aeronaves pequeas y de prestaciones o actuaciones de vuelo moderadas, es til y econmico no emplear sistemas hidrulicos de accionamiento; las ms de las veces, es preferible que el piloto ejecute directamente el movimiento de las superficies de control de vuelo, mediante un conjunto de poleas, cables y barras de mando. Este sistema mecnico pone en conexin la palanca de mando de la cabina con las superficies de control en cuestin. Si el piloto ejecuta directamente los movimientos de los mecanismos en estas aeronaves, quiere decirse que las fuerzas necesarias de accionamiento no son grandes. No obstante, incluso en esta categora de aeronaves, que llamamos comnmente aviacin ligera, existen ciertos movimientos y actuaciones del avin que resultan difciles, lentos o imposibles, si se basan en los medios manuales de accionamiento. As, actuaciones como la frenada del avin, la actuacin del tren de aterrizaje replegable, etc., son mecanismos que precisan de un sistema reforzador, multiplicador de fuerza. El sistema reforzador permite aplicar la potencia adecuada de movimiento a estas acciones.

Reversas de un turborreactor




El sistema hidrulico, como medio reforzador de la accin de mando del piloto, no se suele emplear en algunas aeronaves pequeas. As, como ejemplo, es muy corriente el empleo de motores elctricos para actuar el tren de aterrizaje, o para subir y bajar los flaps del ala. De hecho, la hidrulica se reduce al mnimo en las pequeas aeronaves, porque es un sistema caro, de cierta complejidad y peso, y mayor carga de trabajo de mantenimiento. Para medianas y grandes aeronaves no es concebible otra forma de actuacin distinta a la hidrulica o elctrica.

Controles de vuelo que utilizan sistemas hidrulicos

Tren de aterrizaje y frenos

Tren de aterrizaje y compuertas




Sistemas hidrulicos. La hidrulica forma parte del amplio campo llamado potencia de fluida. La potencia fluida se encarga de la transmisin y control de energa a travs de un fluido bajo presin. Aunque es comn considerar un fluido simplemente como un lquido, por definicin propia, un fluido puede ser un gas o un lquido. Por lo tanto, hay dos principales ramas de la potencia fluida. Hidrulica: utiliza un lquido, generalmente aceite, para transmitir la energa. Neumtica: utiliza un gas, generalmente aire, para transmitir la energa. Los sistemas hidrulicos se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones mecnicas. Un comn ejemplo de un sistema de potencia hidrulica es el utilizado por los frenos de un carro. El conductor aplica una fuerza al pedal que comprime al fluido dentro del conducto. La presin del fluido es convertida en fuerza mecnica nuevamente por los pistones del cilindro de freno. Finalmente los pistones forzan las zapatas contra el tambor para reducir la velocidad del vehculo.

Aunque la mayora de los sistemas hidrulicos son ms sofisticados que este ejemplo, el principio de transmisin de energa a travs de un fluido comprimido es comn a todos los sistemas.




Ventajas de los sistemas hidrulicos. 1.- Exactitud de control. Ya que el aceite es relativamente incompresible, los sistemas hidrulicos pueden proveer ms exactitud al mover y colocar cargas, que los sistemas elctricos o neumticos. 2.- Potencia requerida. Los sistemas hidrulicos son preferidos en aplicaciones que requieren grandes fuerzas. De hecho, los actuadores hidrulicos pueden generar la fuerza suficiente para operar directamente la mquina. 3.- Variacin de velocidad. La velocidad de un actuador puede ser fcilmente ajustable. Tambin los sistemas neumticos tienen esta ventaja. 4.-Tipo de movimiento. Una gran ventaja tanto de los sistemas hidrulicos como de los neumticos es que pueden generar movimiento lineal usando actuadores lineales o cilindros. Los tres tipos de sistemas pueden generar movimiento rotatorio igualmente bien; los motores de fluidos son usados cuando los motores elctricos son ms costosos, como cuando se requieren variaciones de velocidad o en condiciones ambientales especiales. 5.-Versatilidad. La potencia hidrulica se puede transmitir a cualquier lugar al que un tubo pueda ir. 6.-Limitaciones de espacio. Tpicamente los motores de fluidos son ms pequeos y livianos que los elctricos. En aplicaciones como los aeroplanos, el espacio y el peso son crticos; debido a esto los sistemas hidrulicos son ampliamente utilizados en la aviacin. Sistema hidrulico bsico. El diagrama ilustra un sistema hidrulico tpico y los componentes bsicos que utiliza. Existen muchos otros componentes, pero stos son los ms comunes a la mayora de sistemas. Su funcionamiento e interacciones son los siguientes:

Sistema hidrulico bsico




Diagrama simblico de un sistema hidrulico bsico

-Actuador: Un actuador es un dispositivo que convierte la energa de fluidos en energa mecnica. Dos tipos comunes son los cilindros y los motores. Los cilindros tienen un pistn conectado a una varilla que es movida por el flujo de aceite presurizado. Esto genera un movimiento lineal para mover una carga. Los motores hidrulicos convierten el flujo en movimiento rotatorio, stos son parecidos a los motores elctricos. -Depsito o reservorio: La funcin de un tanque hidrulico es contener o almacenar el fluido de un sistema hidrulico. Adems de funcionar como contenedor, un depsito tambin sirve para enfriar el fluido, permite asentarse a los contaminantes y el escape del aire retenido. -Bomba: La bomba crea un flujo continuo de aceite desde el depsito a las otras partes del sistema. -Motor elctrico: Este dispositivo mueve a la bomba. Provee la potencia al sistema hidrulico al transformar potencia elctrica en potencia mecnica en la flecha. Algunas veces otras fuerzas de movimiento rotatorio son utilizadas, tal como motores de combustin interna.

Acoplamiento bomba-motor elctrico

M

VALVULA DE ALIVIO

MOTOR ELCTRICO

FILTRO

UNIDAD DE POTENCIA

DISTRIBUIDOR DE PRESION

RESORTE (CARGA)

ACTUADOR (CILINDRO)

DISTRIBUIDOR DE RETORNO

VALVULA DE CORTE

BOMBA

MANMETRO A

DEPOSITO

MANMETRO S




-Vlvula de alivio: Para mantener la presin dentro de niveles de seguridad, la vlvula de alivio descarga el exceso de flujo de aceite hacia el depsito. -Vlvula de control direccional o vlvula selectora: Permite controlar la direccin del actuador. Al mover esta vlvula, puede dirigir el flujo de aceite para extender o retraer el cilindro o para invertir la rotacin del motor hidrulico. -Vlvula unidireccional o de no retorno (check): Permite el flujo en una sola direccin. Consiste de un baln y un asiento que evitan el regreso de fluido hacia la bomba, en caso que esta se detenga. Hay muchas otras aplicaciones para esta vlvula. - Filtros Los filtros se emplean para controlar la contaminacin por partculas slidas de origen externo y las generadas internamente debido al desgaste o la erosin de las superficies de la mquina, permitiendo preservar la vida til tanto de los componentes del equipo como del fluido hidrulico. -Fluido hidrulico (aceite): La seleccin y el cuidado que se tenga con el fluido hidrulico de un sistema tiene un efecto importante sobre el funcionamiento y la duracin de sus componentes.

Las finalidades de un fluido hidrulico son, bsicamente, cuatro:

1. Ser el medio transmisor de energa. 2. Lubrificar los componentes que constituyen el sistema. 3. Minimizar las fugas. 4. Disipar el calor generado en el sistema.

Adems de estas funciones, el fluido hidrulico debe mostrar otros requerimientos de calidad, tales como:

Impedir la corrosin (oxidacin).

Reducir la formacin de espuma.

Impedir la formacin de lodos.

Mantener su propia estabilidad y, por consiguiente, reducir el nmero de renovaciones.

Mantener un ndice de viscosidad relativamente estable en un amplio rango de temperatura.

Compatibilidad con los elementos de estanqueidad.

Resistencia al fuego.

No ser txico.

Lubricacin. El efecto de la lubrificacin se traduce en una reduccin de la friccin y del desgaste de los componentes del circuito. Por muy bien pulidas que estn dos superficies, siempre existen rugosidades microscpicas que producen una resistencia al deslizamiento. La funcin del lubricante es producir una pelcula que separa las dos superficies. De esta forma se reduce la friccin y, adems, el desgaste de las superficies.

Estanqueidad. En muchos casos, el empleo del lubricante adecuado puede evitar la entrada de polvo, suciedad o cualquier otra materia extraa en el interior del mecanismo a lubricar. Estas contaminaciones exteriores resultan siempre nocivas ya que aumentan el desgaste, sobre todo si se trata de partculas slidas duras, que pueden producir distintos tipos de rayados y erosiones (desgaste erosivo).

Disipacin de calor. Otra funcin del lubricante es la de disipar el calor generado por el rozamiento. Siempre se crea una cierta cantidad de calor en los puntos de contacto entre dos piezas en movimiento, a pesar de estar bien lubricadas. Parte de este calor se deba tambin al rozamiento interno entre las molculas del propio aceite lubricante. El calor generado es absorbido por el aceite.




En algunos sistemas circulatorios, el aceite caliente se hace circular a travs de refrigeradores antes de empezar un nuevo ciclo, con lo que se consigue que la temperatura de trabajo no sea demasiado alta.

A pesar de que en la mayora de los casos sea normal que el aceite se caliente cuando la mquina est operando, resulta de gran importancia vigilar la temperatura a la que se encuentra el aceite en el depsito. Un calentamiento excesivo del aceite es seal de alarma de una mal funcionamiento o posible avera, siendo imprescindible efectuar una inspeccin de la mquina para determinar la causa de tanto desprendimiento de calor.

Proteccin contra corrosin. En la mayora de sus aplicaciones, resulta necesario que los lubricantes sean capaces de impedir la corrosin de los metales, debida a un ``ataque qumico de los componentes cidos presentes en el mismo lubricante, cuya proporcin va aumentando a medida que el lubricante se va oxidando.

Por otra parte, en los sistemas de lubricacin recirculante, el aceite empleado debe soportar la presencia de agua, libre y/o disuelta en el mismo. Esta agua procedente en la mayora de los casos de la condensacin, produce una formacin herrumbre en las superficies de hierro o acero de los sistemas que contienen el aceite. Si el aceite utilizado est convenientemente aditivado, se consigue la formacin de una pelcula lubricante muy resistente sobre las superficies ferrosas, que acta de barrera contra la humedad y evita la herrumbre de las mismas.

Especificaciones. Los organismos nacionales e internacionales, los grandes consumidores o los constructores proponen las siguientes especificaciones para los fluidos hidrulicos:

AFNOR: La norma NFE 48600 define 4 tipos de fluidos:

HH : aceite mineral no inhibido.

HL : aceite mineral poseedor de propiedades antioxidantes y anticorrosin.

HM : fluido de categora HL con caractersticas antidesgaste.

HV : fluido de categora HM con propiedades viscosidad-temperatura mejoradas.

DIN: Las normas 51524 y 51525 definen los aceites H, HL y HLP que corresponden a los HH, HL y HL/HM de la clasificacin AFNOR. CETOP: El Comit Europeo de Transmisiones Oleodinmicas y Neumticas, en su proyecto RP 75H utiliza la misma clasificacin que la AFNOR. ISO: El ISO TC 28 elabora un proyecto semejante al AFNOR. DENISON: La clasificacin de este constructor es: - HF 1 y HF 1 : Fluidos hidrulicos recomendados para ser utilizados en las bombas de pistones, inactivos sobre bronce fosforoso. Es equivalente al HL de AFNOR. - HF 2 y HF 2: Fluido hidrulicos recomendados para ser utilizados en bombas de paletas. Equivale al HM de AFNOR. - HF 0: Fluidos hidrulicos que se pueden utilizar tanto en bombas de pistones como de paletas.




- Acumuladores hidrulicos. Un acumulador hidrulico es un depsito divido en dos cmaras, una conteniendo lquido hidrulico a la presin del sistema y la segunda cmara contiene nitrgeno gaseoso a presin. Este acumulador se utiliza en los siguientes casos: Cuando existe una prdida de presin en el sistema.

Cuando el sistema necesita un caudal considerable por un periodo breve.

Cuando el sistema o una parte de este tiene que permanecer bajo presin

Acumulador hidrulico

Smbolo ISO para acumulador tipo vejiga




En los sistemas hidrulicos se utilizan 3 tipos de acumuladores, que son: los acumuladores de pistn, acumuladores tipo vejiga y acumuladores de diafragma. En los helicpteros se utiliza el acumulador tipo vejiga como sistema de seguridad en casa de fallas del sistema principal. En el caso del AS350B es de vital importancia el uso del acumulador debido a que el acumulador hidrulico es nico.

Tuberas Las tuberas son conductos cilndricos con un material, dimetro y longitud variable, su funcin es la del transporte de fluidos, como lo es el lquido hidrulico. Una tubera flexible es un tramo de manguera hecho de un elastmero, en ellas se acoplan unas conexiones conocidas como racores.

Racores

Cualquier tubera tiene un cierto tiempo de vida, por lo cual es de vital importancia la realizacin de un control de tiempo de vida.

Mangueras hidrulicas

Generacin de flujo. En un sistema hidrulico, el flujo es generado por la bomba. Los tipos de bomba utilizados son de desplazamiento positivo, esto significa que si la flecha de la bomba es movida a velocidad constante por el motor elctrico, la bomba produce un flujo casi constante en su salida, independientemente de la presin. Esto tambin significa que la bomba no crea presin, solo flujo. La presin en un sistema hidrulico es creada por la resistencia a fluir, esta resistencia puede ser causada por la carga en el actuador o por la friccin del fluido en el interior de los componentes del sistema.




La razn de flujo de un fluido (gasto o caudal) indica la cantidad de fluido que pasa por el sistema en una cantidad de tiempo, esta cantidad puede ser medida en peso o volumen; en un anlisis de un sistema hidrulico, el flujo es generalmente medido en volumen (caudal volumtrico). Una forma de medir el flujo es llenando un contenedor de cierta capacidad conocida y contando el tiempo que esto tarda: Razn de flujo= Vol. del contenedor / tiempo de llenado. Este mtodo de usar un contenedor y un cronmetro puede ser muy preciso, sin embargo su desventaja es que solo se puede medir cuando el aceite va de retorno al depsito, ocasiona goteos y toma tiempo la medicin. El mtodo preferido para medir la razn de flujo es a travs de un flujmetro, que an cuando es menos preciso, da una medida inmediata y puede ser conectado en lnea con el sistema. Muchos flujmetros pueden ser usados bajo presin en el sistema.

Presin vs fuerza. Un actuador hidrulico debe ser capaz de crear una fuerza suficiente para mover la carga. En un cilindro hidrulico, la fuerza es transmitida por la varilla en direccin lineal, mientras que en un motor hidrulico, la fuerza es transmitida por la flecha en direccin rotatoria. En ambos casos, la fuerza del actuador se desarrolla por la presin del fluido sobre las superficies internas del actuador. La presin se define como la cantidad de fuerza ejercida por unidad de superficie sobre la que acta esa fuerza, esto nos indica la intensidad de la fuerza; en un fluido confinado, la presin puede desarrollarse en l por una fuerza interna actuando en alguna parte del fluido. Como se ilustra en la figura 1, el peso de 100 libras sobre el corcho ocasiona que el corcho aplique fuerza sobre el fluido. Ya que el fluido est confinado, ste se comprime hasta que la presin del fluido ejerza una fuerza contraria a la carga, para soportar el peso de 100 lb. La cantidad de presin generada por el fluido depende del rea del corcho que acta con el fluido y de la fuerza externa.

Fig. 1




La frmula para determinar la presin es:

AREA

FUERZAPRESION

Donde: Presin = lb/plg

2 (psi)

Fuerza = libras (lb.) rea = pulgadas cuadradas (sq. inch)

Otro importante concepto ilustrado en la Fig.1 es que la presin existe en todo el fluido y acta perpendicularmente a todas las superficies del depsito; y si el fluido no se mueve, la presin en todo el fluido es igual. Este concepto es conocido como Ley de Pascal. La ley de Pascal y la frmula de presin son tiles para determinar la fuerza de un actuador. Un cilindro hidrulico consiste bsicamente de un cuerpo, un pistn y una varilla, como se ilustra en la figura 2. Cuando el aceite es introducido por el puerto A, el fluido presiona contra el pistn para extender el vstago. Si el aceite es forzado a entrar por el puerto B, el fluido presiona contra el otro lado del pistn y retrae el vstago.

Fig. 2

Si un cilindro trata de extenderse para mover la carga (figura 3), la presin desarrollada en el aceite es ejercida sobre todas las superficies internas en la tapa del cilindro. Esta presin acta sobre toda la superficie del pistn, el cual se mueve para extender el vstago.

Fig. 3




La frmula para determinar la fuerza (fuerza terica en extensin) de un cilindro en extensin es:

7854.02DPPAF Donde:

F = fuerza del cilindro en extensin en lb. P = presin en el pistn en libras por pulgada cuadrada (PSI). A = rea del pistn en pulgadas cuadradas (plg

2)

D = dimetro del pistn en plg.

Si el cilindro trata de retraer una carga, la presin del aceite es ejercida en todas las superficies internas de la varilla como se ilustra en la Fig. 4. La nica rea donde la presin acta para mover la carga es en el pistn. En este caso la presin no acta en toda el rea del pistn porque el vstago est unido a l. El rea neta sobre la que acta al retraer el cilindro es llamada rea anular.

Fig. 4

Esta rea es igual al rea del pistn, menos el rea de la varilla. Esto significa que el sistema debe generar ms presin para retraer que para extender la misma carga. La frmula para determinar la fuerza (fuerza terica en retraccin) de un cilindro en retraccin es:

7854.022 RDPAPF Donde:

F = fuerza del cilindro en retraccin en lb. P = presin en el pistn en PSI. A = rea anular del pistn en pulgadas cuadradas (plg

2).

D = dimetro del pistn en plg. R = dimetro de la varilla en plg.




Es posible en la prctica medir la fuerza (fuerza real) de un cilindro a diferentes presiones, colocando un resorte de constante de compresin conocida (k), enfrente del vstago (extensin), como se ilustra en la figura 5. Cuando una presin es aplicada sobre el pistn, sta generar una fuerza para comprimir el resorte. La cantidad de distancia que el resorte se comprima, indicar la cantidad de fuerza generada por la presin del fluido.

Fig. 5

El resorte puede colocarse tambin detrs del vstago (retraccin). Y en ambos casos, la fuerza puede obtenerse a travs de la ley de Hooke, es decir, mediante la frmula:

kLLFLS 1 Donde:

FLS = fuerza del resorte = fuerza del vstago en lb. L = longitud del resorte sin comprimir en plg. L1 = longitud del resorte comprimido en plg. K = constante del resorte el lb./plg. (para el sistema Amatrol 850, k = 294 lb./plg)

Friccin en los fluidos.

La presin en un sistema hidrulico es causada por la resistencia del flujo, esta resistencia puede resultar de una carga sobre el actuador o por la friccin del lquido en las superficies internas de los componentes hidrulicos. La presin requerida para vencer la resistencia por friccin es importante en un anlisis de un sistema, ya que la prdida de presin reduce la eficiencia del sistema. Cuando un flujo de aceite pasa a travs de los componentes de un sistema, su movimiento es contra las superficies internas de los componentes. No importa que tan lisas sean las superficies, siempre hay alguna resistencia por friccin, esta resistencia ocasiona que el flujo tenga una diferencia de presiones a la entrada y a la salida de cada componente. La diferencia de presin entre dos puntos es llamada cada de presin delta P.




Como se ilustra en la figura 1, la delta P (P1-P2) entre el manmetro A y el B, es de 20 psi; entre el B y el C es de 20 psi y entre el A y el C es de 40 psi.

Fig. 1

Todos los componentes por los que circula el fluido causan una cada de presin, estos incluyen las tuberas, mangueras, vlvulas de control direccional, vlvulas de control de flujo, motores, etc. La cantidad de cada de presin depende de las caractersticas de cada componente tales como tamao, forma y rugosidad de las superficies; la cada de presin tambin es afectada por las caractersticas del fluido tales como viscosidad y razn de flujo. Para disear un sistema hidrulico o para analizar la operacin de uno ya existente, es importante conocer la cada de presin a travs de cada componente. Ya que la razn de flujo puede fcilmente cambiar, es conveniente saber cmo esta razn de flujo afecta a la cada de presin. La curva tpica de la mayora de los componentes es una parbola como la ilustrada en la Fig. 2. Esta curva muestra que cuando el flujo se incrementa, la delta P tambin se incrementa. Si el componente tiene un tamao de orificio variable (como una vlvula de control de flujo), se tendr una familia de curvas, cada una representando un cierto tamao de orificio. La Fig. 2 muestra que la delta P ser ms grande cuando sea menor el tamao del orificio.

Fig. 2




Presin de operacin o presin del sistema son trminos utilizados en el anlisis de un sistema hidrulico. Es importante saber que estos trminos no se refieren a la presin por todo el sistema, se refieren a la presin generada en la salida de la bomba durante la operacin; la presin en otros puntos del sistema puede variar considerablemente. A medida que el aceite es bombeado hacia el sistema, progresivamente se va incrementando la cada de presin. La mayor presin ocurre a la salida de la bomba y est muy cerca de la vlvula de alivio; como el aceite va siendo empujado, la cada de presin se va incrementando debido a la friccin y a la resistencia de la carga en el actuador. Cuando el flujo llega hacia el depsito ha alcanzado la menor presin, esto es, cero PSI. La presin en cualquier punto del sistema es igual a la suma de todas las cadas de presin antes de dicho punto.

Fig. 3

Por ejemplo, considere el circuito de la figura 3. En este circuito la vlvula de control direccional ha sido movida para extender el cilindro. La presin en la salida de la bomba es de 1000 PSI, la que es causada por la resistencia total de los componentes. Las cadas de presin por cada componente son:




Las cadas de presin de todos los componentes, excepto el cilindro, son causadas por la resistencia friccional. La presin en el sistema es la ocasionada por las resistencias de todos los componentes, por ejemplo: la presin en el sistema es 20+40+20+840+20+40+20=1000 psi. Cuando el cilindro del circuito de la Fig.3 es completamente extendido, el aceite es bloqueado en la tapa del cilindro y no tiene hacia dnde ir. Como la bomba contina enviando aceite, la presin aumenta a 1100 psi. Como la vlvula de alivio esta calibrada a ese valor, se abre para enviar el flujo hacia el depsito, esta condicin se muestra en la figura 4.

Fig. 4

Cuando el aceite es bloqueado en algn punto del sistema, la distribucin de presiones no se ve afectada por la friccin en los componentes ya que no hay flujo en ese instante. La Ley de Pascal dice que: si el aceite no est fluyendo entre dos puntos de un fluido continuo, entonces la presin es la misma en esos dos puntos. Este concepto se ilustra en la figura. 4, por el hecho de que los manmetros S, A, B y C indican la misma presin. Todos estos manmetros indican la presin del mismo volumen de fluido; en cambio los manmetros R, F, D y E, indican la presin de un volumen diferente de fluido; el fluido total est separado por el pistn del cilindro, en dos volmenes.

Potencia y trabajo. Un sistema hidrulico transmite potencia a travs de un lquido hacia el punto donde se va a utilizar. Esta potencia es convertida en potencia mecnica por el actuador; potencia para el movimiento lineal por medio de un cilindro y potencia para el movimiento rotatorio por medio de un motor hidrulico. La cantidad de potencia mecnica desarrollada por un actuador puede determinarse encontrando la velocidad y fuerza o torque desarrollados. La frmula para la potencia mecnica es la siguiente:

025.63.

550.

VELOCIDADTORQUEROTACIONALPOTENCIA

VELOCIDADFUERZALINEALPOTENCIA

Potencia en H.P. Fuerza en lb. Velocidad en pies/seg. Torque en lb.-plg.




La potencia existe en un sistema hidrulico en forma de un lquido presurizado fluyendo a travs del sistema. Como se ilustra en la Fig. 1, la bomba proporciona el fluido. Si hay alguna resistencia ocasionada por el actuador o por la friccin interna, entonces se ocasionar presin a la salida de la bomba.

Fig. 1

La cantidad de presin y el flujo determinan la potencia del fluido generada por la bomba, que puede calcularse as:

1714

........

PRESIONFLUJODERAZONFLUIDODELPOTENCIA

Potencia en H.P. Razn de Flujo en GPM. Presin en PSI. De la frmula anterior, puede verse que si se incrementa, ya sea la razn de flujo o la presin, se incrementa proporcionalmente la potencia requerida por el sistema. La cantidad de potencia de fluido usada por un actuador puede encontrarse usando una variacin de las frmulas para la potencia de fluido generada por la bomba, la potencia de fluido neta usada por un actuador, depende de la diferencia de presin entre los puertos de un actuador.

Fig. 2




Desafortunadamente, no toda la potencia generada por un sistema, se convierte en potencia mecnica en el actuador; parte de la potencia se pierde por la friccin interna en cada componente y se convierte en calor. La cantidad de calor generada por cada componente puede determinarse encontrando la cada de presin y la razn de flujo a travs de cada componente. Como se ilustra en la figura 2, la potencia generada por la bomba es parcialmente convertida en calor por cada componente del sistema; la restante, es convertida en potencia mecnica y puede calcularse as:

1714

........ PRESIONDECAIDAFLUJODERAZONPOTENCIA

Potencia en H.P. Razn de Flujo en GPM. Presin en PSI. El calor es un importante factor a considerar en el diseo y operacin de sistemas hidrulicos. Si la temperatura del aceite crece demasiado, este perder sus propiedades lubricantes, ocasionando desgaste en los componentes y por lo tanto, mal funcionamiento de los mismos.

Bombas hidrulicas. El fluido en un sistema hidrulico es generado por la bomba. Aunque hay varios tipos de stas, todas tienen desplazamiento positivo y tienen las mismas caractersticas generales de operacin. La construccin y operacin de una bomba tpica se ilustra en la figura 1, consiste de un cuerpo con un puerto de entrada y uno de salida. Conteniendo elementos rotatorios conectados a una flecha que los mueve; un motor elctrico, por lo general, mueve a la flecha de la bomba, creando el flujo.

Fig. 1

Para que la bomba suministre el flujo al sistema, el aceite debe fluir del depsito a la bomba. La bomba crea un vaco en su puerto de entrada, ocasionando que la presin atmosfrica empuje al aceite a travs de la bomba hacia el puerto de salida y de ah a la tubera del sistema hidrulico.




Es importante recordar que la bomba no entrega presin en su salida, solamente descarga el aceite en cierta cantidad de flujo, la presin es causada solo cuando hay una resistencia a fluir. Existen 3 tipos principales de bombas: de engranes, de paletas y de pistones. La principal diferencia entre ellas es el diseo de las partes internas; las bombas de engranes tienen un par de ellos, uno est conectado directamente a la flecha; el aceite es empujado a travs de la bomba al ser atrapado entre los dientes de los engranes y la cmara de la bomba.

Bomba de engranes

Las bombas de paleta tienen un rotor conteniendo las paletas mviles que se deslizan hacia adentro y hacia fuera de las ranuras radiales del rotor. Como el rotor es movido por la flecha, las paletas son lanzadas contra un anillo o cmara de la bomba; el aceite se mueve a travs de la bomba al ser atrapado entre las paletas y la cmara de la bomba.

Bombas de pistones, de paletas y de engranes.

Las bombas de pistn usan una cantidad de pistones que se mueven hacia adentro y hacia fuera mientras la flecha los hace rotar, su operacin es similar a una jeringa.




La decisin sobre qu tipo de bomba usar en una aplicacin en particular depende de varios factores tales como: costo, ruido y eficiencia. Las de engranes son las ms baratas pero son las que producen ms ruido y generalmente son menos eficientes. Las de pistones son ms caras pero operan silenciosamente y con una eficiencia muy alta. La cantidad de flujo producido por una bomba depende de la velocidad a la cual su flecha gira y de su desplazamiento. Mientras ms rpido gire la flecha es mayor el aceite desplazado. Ya que el diseo de las bombas es de desplazamiento positivo, la cantidad terica de flujo no depende de la presin, por lo tanto, la frmula para el flujo terico es:

231

..........

FLECHALADEVELOCIDADENTODESPLAZAMIFLUJODERAZON

Razn de flujo en GPM. Desplazamiento en pulgadas cbicas /revolucin (plg

3/rev)

Velocidad de la Flecha en RPM. Aunque las bombas tienen un desplazamiento positivo, la razn de flujo real es afectada ligeramente por la presin debido a fugas internas. Como la presin a la salida de la bomba es incrementada, existe tambin un incremento de fugas internas, reduciendo la razn de flujo real. La razn de flujo real que la bomba produce es indicada por la eficiencia volumtrica de la bomba. La eficiencia volumtrica es la relacin entre el flujo real y el flujo terico:

100

..............

AVOLUMETRICEFICIENCIATEORICAFLUJODERAZONREALFLUJODERAZON

Eficiencia Volumtrica en %. La figura siguiente muestra como la eficiencia volumtrica vara con la presin.

Fig. 3




Las bombas a menudo se describen como de 100 psi, 200 psi, etc. Ya que las bombas no producen presin, esto se refiere ms bien a la operacin mxima continua en que la bomba puede tener una duracin de vida razonable. La cantidad de potencia requerida por una bomba depende slo de la razn de flujo y la presin a la salida de la bomba. Est dada por la formula:

1714

.... PRESIONFLUJODERAZONPOTENCIA

Potencia en H.P. Razn de flujo en GPM. Presin en PSI. La cantidad real de potencia requerida por la bomba es mayor que la terica debido a las fugas internas y la friccin entre las partes internas, lo que es descrito como la eficiencia mecnica de la bomba. Estas dos eficiencias combinadas reciben el nombre de eficiencia combinada de la bomba.

MECANICAEFICIENCIAAVOLUMETRICEFICIENCIACOMBINADAEFICIENCIA ...... Eficiencia en %.

1714..

100..............

COMBINADAEFICIENCIA

PRESIONFLUJODERAZONBOMBALAPORREQUERIDAREALPOTENCIA

La eficiencia combinada de la bomba vara con la presin. La figura muestra como la eficiencia de la bomba es muy baja a bajas presiones y presenta un pico en cierto rango de presiones.

Fig. 4




Motores hidrulicos.

Un motor hidrulico es un actuador diseado para producir potencia mecnica rotatoria; opera exactamente al contrario de una bomba: mientras que la bomba genera flujo cuando su flecha es movida por algn dispositivo externo, el motor genera movimiento en la flecha cuando el aceite fluye a travs de l. Los motores hidrulicos son dispositivos de desplazamiento positivo, lo que significa que mientras mayor sea la razn de flujo, mayor ser la velocidad en la flecha. La cantidad de torque generado por un motor en su flecha es suficiente para vencer la resistencia en su flecha. El torque es generado por una diferencia de presin entre la entrada y la salida; un incremento de presin no provoca incremento en la velocidad del motor. A diferencia de una bomba, muchos motores pueden girar en una u otra direcciones, por lo que son llamados bidireccionales. En algunos casos en que el costo es un factor importante, son utilizados motores de una sola direccin llamados unidireccionales.

Fig. 1

Al igual que las bombas, existen tres diseos bsicos de motores: de engranes, de pistones y de paletas. Un motor de engranes es tan similar a una bomba, que muchos motores de engranes se pueden usar como bombas. Los motores de paletas tienen una sola diferencia con las bombas, en que sus paletas tienen que ser oprimidas por un resorte para ser completamente extendidas cuando el motor para. Las bombas de paletas no requieren de esto porque sus paletas estn extendidas en forma natural por la fuerza centrifuga que se tiene por el movimiento de la flecha. Los motores de paletas tienen menos problemas de fugas que los de engranes pero ms que las de pistones. Existen tres tipos de motores de pistones: en lnea, axial-inclinado y radial. Los motores de pistones se usan cuando se requiere ya sea, regulacin exacta de la velocidad, alto torque a baja velocidad o bajo torque a alta velocidad. Tienen baja friccin interna y muy bajas tolerancias, obtenindose una muy alta eficiencia volumtrica y por lo tanto, son ms costosos.




Bomba de pistones

Los motores hidrulicos, al ser dispositivos de desplazamiento positivo, su velocidad producida es proporcional a su desplazamiento. Similarmente a las bombas, la frmula para la velocidad terica es:

ENTODESPLAZAMI

FLUJODERAZONFLECHALAENTEORICAVELOCIDAD

231............

Velocidad en RPM. Razn de Flujo en GPM Desplazamiento en ft

3/rev.

La velocidad real es:

100

.......

AVOLUMETRICEFICIENCIATEORICAVELOCIDADREALOCIDADVEL

El torque de un motor es la cantidad de fuerza de giro generada en su flecha. El torque es una fuerza de rotacin, como contraparte de una fuerza lineal. Similar a los cilindros, el torque se incrementa en proporcin a la diferencia de presin entre los puertos del motor.

Cilindros. La construccin de un cilindro se ilustra en la figuras1 y 2. Consiste, principalmente, de un cuerpo, un pistn mvil, un vstago y sellos o retenes.




Fig. 1

El cilindro convierte potencia de fluido a potencia mecnica forzando al fluido en uno de sus puertos. El fluido presiona contra el pistn para extender o retraer la varilla. Si el aceite entra por el puerto B, la varilla se retraer, si el aceite entra por el puerto A, la varilla se extender.

Fig. 2

La presin del aceite es determinada por la fuerza requerida por la varilla para mover una carga. Para mantener el aceite a presin, los cilindros estn equipados con sellos, colocados tanto en el pistn como en la varilla. Los tipos de cilindros se encuentran disponibles en una amplia variedad, el dimetro del pistn y del vstago se pueden elegir de un gran nmero de tamaos estndar. Un cilindro de doble accin es aquel que puede extenderse y retraerse por medio del fluido. Tambin hay cilindros de accin simple en los que el fluido es usado slo para extender la varilla, y un resorte interno o la gravedad lo retraen.




Tipos de cilindros.

Cilindros telescpicos




PISTONDELAREA

FLUJODERAZONEXTENSIONDEVELOCIDAD

....

231........

Velocidad = plg/min. Razn de flujo = GPM rea del pistn = plg

2

Fig. 3

La velocidad de retraccin de un cilindro de doble accin es diferente de la extensin porque hay un menor volumen que llenar debido a que hay que considerar el rea anular solamente, lo que significa que para una determinada razn de flujo, un cilindro se retraer ms rpidamente que cuando se extiende.

ANULARAREA

FLUJODERAZONRETRACCIONDEVELOCIDAD

..

231........

Velocidad = plg / min.

Razn de Flujo = GPM rea anular = plg

2.

En algunas aplicaciones, en que se deseara saber el tiempo requerido para completar su movimiento, dada una razn de flujo, se puede calcular de la siguiente forma:

231....

....60

FLUJODERAZON

MOVIMIENTODEDISTANCIAAREATIEMPO




El rea puede ser tanto la del pistn, para el tiempo de extensin, como el rea anular para el tiempo de retraccin. Cuando un cilindro se extiende o se retrae, el aceite que entra al cilindro ocasiona que el aceite del otro lado del pistn sea forzado hacia fuera del cilindro, el aceite es descargado directamente al depsito. La presin de descarga vara de acuerdo a la resistencia por friccin. Un hecho importante que hay que recordar cuando se analiza un sistema es que la razn de flujo de descarga es diferente de la que entra debido a la diferencia entre el rea del pistn y el rea anular:

Aa

ApENTRADADEFLUJODERAZONRETRACCIONDESCARGADEFLUJODERAZON

Ap

AaENTRADADEFLUJODERAZONEXTENSIONDESCARGADEFLUJODERAZON

................

................

Aa = rea anular. Ap = rea del pistn. Estas frmulas muestran que la razn de flujo de descarga durante la retraccin es mayor que la razn de flujo de entrada, este hecho es importante porque puede causar una excesiva cada de presin en el sistema y reducir la fuerza del cilindro. La fuerza de un cilindro cuando est inmvil es determinada por la presin en el lado del pistn solo que no haya presin por el otro lado si el cilindro se mueve, habr una presin de resistencia friccional en el otro lado del pistn, lo que reduce la fuerza neta del cilindro. La siguiente frmula puede usarse cuando el cilindro se mueve o cuando est en reposo:

APPpAaPaRETRACCIONDEFa

AaPaApPpEXTENSIONDEFp

....

....

Fp = Fuerza del cilindro en extensin = lb. Fa = Fuerza del cilindro en retraccin = lb. Ap = rea del pistn sobre la que acta el flujo = plg

2.

Aa = rea anular sobre la que acta el flujo = plg2.

Pp = Presin en el rea del pistn = psi. Pa = Presin en el rea anular = psi.




Fig. 4

La fuerza real del cilindro es menor que la terica ya que esta ltima no considera la friccin en los sellos en la varilla del pistn:

FsFaRETRACCIONFA

FsFpEXTENSIONFA

Donde: FA = Fuerza real del cilindro en lb. Fp = Fuerza en el rea del pistn en lb. Fa = Fuerza en el rea anular en lb. Fs = Fuerza de friccin en los sellos.

Vlvulas de control direccional (VCD).

Las vlvulas de control direccional se utilizan para controlar la direccin del flujo de aceite en un sistema hidrulico. En muchos casos se utilizan tambin para controlar la direccin de movimiento de los actuadores hidrulicos. Son fabricados en diferentes estilos y tamaos con una amplia variedad de opciones para satisfacer cada aplicacin particular. La ms amplia clasificacin de las VCD es por el nmero de trayectorias de flujo, o vas de cada una. Las VCD se pueden conseguir de una, dos o tres vas. Una VCD de una va es conocida como vlvula unidireccional (check). - VCD de dos vas. Las VCD de dos vas estn diseadas para detener e iniciar el flujo a travs del circuito hidrulico, se usan comnmente para drenar los sistemas y para aislar ramas de un circuito. Un grupo de VCD de dos vas es llamado vlvulas de corte. Incluye vlvulas de globo, de compuerta y de baln. Son llamadas as por la forma en que detienen el flujo (figura 1). Consisten de un cuerpo con dos puertos y generalmente se operan en forma manual.




Fig. 1

Las VCD de dos vas tambin pueden construirse con un vstago y un asiento o con carrete (figura 2). Las primeras detienen el flujo al oprimir la cabeza del vstago contra el asiento. Las de carrete controlan la trayectoria del flujo deslizando el carrete a la posicin en la que se pueda aislar o conectar los puertos de la vlvula. Pueden ambas operarse manualmente o a travs de otros operadores, por ejemplo los de la figura 5.

Fig. 2

Los smbolos usados para representar vlvulas de vstago y de carrete son diferentes de las vlvulas de corte, e indican la condicin de la trayectoria de flujo, ya sea cerrada o abierta (figura 3).

Fig. 3




Para formar un smbolo completo de VCD de 2 vas, ambos smbolos se ponen junto con el operador utilizado para cada condicin. Como las vlvulas pueden tener cualquiera de los dos estados, la siguiente convencin es usada para determinar el estado actual: cuando un operador es actuado o energizado, el smbolo de junto representa la condicin de la trayectoria del flujo en la vlvula. La posicin normal o des-energizada es representada por el smbolo junto al resorte. Por ejemplo, la vlvula de la figura 4 es normalmente abierta porque el resorte esta junto al smbolo (normalmente abierta) Cuando el solenoide es energizado, el carrete o el vstago cambian de posicin para cerrar la vlvula.

Fig.4

Fig. 5

- VCD de tres vas: las VCD de tres vas se usan, generalmente, para controlar cilindros o motores que operan solo en una direccin. Una VCD de tres vas tpica consiste de un cuerpo con tres puertos, operadores y, ya sea un vstago o un carrete. Cuando el carrete se mueve a la izquierda, los puertos P y A son conectados entre s. Cuando el carrete se mueve a la derecha, los puertos A y R son conectados entre s (figura 6). Ya que las VCD de 3 vas utilizan vstagos o carretes, sus smbolos indican el flujo. Un ejemplo lo tenemos en la figura 7. Esta vlvula tiene dos posiciones, la posicin normal controlada por el resorte, bloquea al puerto P y conecta al puerto R con el A. La posicin energizada es controlada por un solenoide. Cuando el solenoide es energizado, la vlvula conecta al puerto P con el puerto A y bloquea al puerto R. Un tipo de circuito donde comnmente se emplea una VCD de 3 vas es el mostrado en la figura 8. Cuando el carrete es movido por el operador, el flujo de la bomba pasa a travs de la VCD para extender el cilindro. Cuando el operador deja de actuar, el resorte mueve al carrete a su posicin normal. En esta posicin, el flujo de la bomba es bloqueado en el puerto P, pero el puerto A esta conectado al R. Esto permite a la carga en el cilindro o a un resorte forzar al aceite a regresar al depsito, permitiendo al cilindro retraerse.




Fig. 6

Otro tipo de circuito en donde se utiliza una VCD de 3 vas para controlar motores unidireccionales es el de la figura 9. Cuando el carrete es posicionado, el puerto P es conectado con el A, permitiendo al flujo de la bomba pasar a travs de la VCD y mover al motor. El flujo de descarga del motor es enviado directamente al depsito. Cuando el carrete regresa a su posicin normal, el flujo de la bomba es bloqueado y el motor patina y se detiene. La razn por la que se usa una VCD de tres vas en lugar de una de dos en esta aplicacin es porque permite entrar flujo de aceite al motor, para que patine antes de detenerse, lo cual es necesario porque el motor acta como una bomba. Si el flujo a la entrada se detuviera, causara un vaco en el motor y ste sufrira el efecto de cavitacin (disminucin sbita de presin caracterizada por la presencia de burbujas de aire), ocasionndole desgaste prematuro.

Fig. 7




Fig. 8-9

- VCD de cuatro vas. Las VCD de cuatro vas se usan comnmente para controlar actuadores que operan en ambas direcciones. Una VCD de cuatro vas tpica consiste de un cuerpo con cuatro puertos, operadores y un carrete. Como se ilustra en la figura 10, cuando el carrete se mueve a la derecha, el puerto P es conectado al A, y el puerto B es conectado al R. cuando el carrete es movido a la izquierda, el puerto P es conectado al B y el puerto R es conectado al A.




Fig. 10

Un smbolo tpico de una VCD de cuatro vas es mostrado en la figura 11. Nos indica que el carrete tiene dos condiciones de trayectoria. Una condicin nos muestra unas flechas paralelas, que es la condicin normal controlada por el resorte. La otra condicin muestra fechas cruzadas y es cuando el solenoide es energizado. La descripcin completa de esta vlvula es: VCD de cuatro vas, dos posiciones, operada por solenoide, de regreso por resorte.

Fig. 11

Un ejemplo de un smbolo para una VCD de 3 posiciones se ilustra en la figura 12. Este smbolo muestra que un solenoide separado es necesario para mover el carrete hacia las posiciones de las flechas paralelas y de las flechas cruzadas. Cuando ninguno de los dos solenoides es energizado, el carrete est en posicin centrada por los resortes. La posicin central en el smbolo indica que todos los puertos estn bloqueados. La descripcin completa para esta vlvula es: VCD de cuatro vas, tres posiciones, operada por doble solenoide, centrada por resortes, cerrada al centro.




Fig. 12

Las VCD pueden tener una variedad de condiciones al centro para satisfacer cada necesidad de aplicacin, la figura 13 ilustra las ms comunes. La posicin de cerrada al centro (closed center) se usa comnmente cuando se desea tener al actuador en alguna posicin intermedia. Es importante notar que esta posicin centrada no asegura al actuador si ste tiene una carga. Aunque el carrete parece bloquear los puertos, una carga en el actuador provoca presin en las lneas y forza al aceite a cruzar los sellos de la vlvula direccional. La posicin de tndem se usa en los mismos tipos de aplicacin que la de cerrada al centro. La ventaja del tndem es que descarga el flujo hacia el depsito a baja presin y as se ahorra energa. La posicin de libre flotacin (free float center) permite al aceite circular libremente entre el depsito y ambos puertos del actuador. Es ideal en aplicaciones en que un motor o cilindro se deben operar manualmente. Este tipo de centro se usa tambin junto con vlvulas check para asegurar al actuador en determinada posicin. La posicin de abierta al centro (open center) se usa en aplicaciones donde un centro de libre flotacin es utilizado pero se desea descargar el fluido de regreso al depsito a baja presin, para ahorrar energa.

Fig. 13




Un tipo de circuito donde se utiliza una VCD de cuatro vas se ilustra en la figura 14, donde el carrete es operado por palanca, el flujo de la bomba sigue la trayectoria P-B para extender el cilindro. El flujo de retorno es descargado al depsito por la trayectoria A-R. Cuando el carrete es movido a la otra direccin el cilindro se retrae mientras el flujo de la bomba cambia a la trayectoria P-A. El flujo de retorno sigue la trayectoria B-R.

Fig. 14




Las VCD estn calibradas para flujo y presin. La calibracin por presin se refiere a la mxima presin continua que puede soportar, esta calibracin normalmente incluye un factor de seguridad de 4:1, lo que significa por ejemplo, que una vlvula calibrada a 100 psi, soportar la presin mxima de 4000 PSI, sin romperse. La calibracin por flujo se refiere a la cantidad de flujo que puede pasar por la VCD sin causar una excesiva cada de presin debido a la friccin interna, ya que como se sabe, a medida que el flujo aumenta, la cada de presin se incrementa. La calibracin de flujo es nominal; una VCD en particular se usar en aplicaciones donde el flujo pueda ser mayor, si se considera aceptable una determinada cada de presin en la vlvula.

Vlvulas de alivio.

La vlvula de alivio pertenece a la familia de vlvulas hidrulicas denominadas vlvulas de control de presin. stas son llamadas as por el hecho de que son operadas por la presin. En el caso de una vlvula de alivio, se encuentra normalmente cerrada y se abre cuando la presin en su entrada alcanza un determinado valor.

Fig. 1

Se utilizan en casi todo sistema hidrulico, para limitar la presin como una medida de seguridad y para controlar la velocidad de los actuadores. La figura 1 muestra una vlvula de alivio de accin directa. Consiste de un cuerpo con dos puertos, uno de entrada y uno de salida. Dentro hay un pequeo vstago comprimido contra un asiento por un resorte; cuando la presin en la entrada alcanza cierto nivel, se crea suficiente fuerza para empujar el vstago fuera del asiento y permite al aceite entrar y fluir hacia la salida. Ajustando la compresin del resorte el nivel de presin al que la vlvula abre, puede ser cambiado. El smbolo usado para representar una vlvula de alivio se muestra en la figura 2. Indica que la vlvula esta normalmente cerrada porque la flecha en el interior no conecta a la entrada con la salida. La lnea punteada conectada a la entrada indica que la vlvula se abrir por un aumento en la presin. Esta presin empuja contra el resorte ajustable el cual es indicado por un resorte y una flecha sobrepuestos.




Fig. 2

La presin preestablecida en una vlvula de alivio es la presin a la que la vlvula es abierta lo suficiente para permitir que todo el flujo de la bomba la atraviese, esto tambin se denomina presin de apertura completa. El nivel de presin al que la vlvula comienza abrir es de hecho un poco menor que el de presin de apertura completa. Esta es llamada presin de ruptura. Entre la presin de ruptura y la de apertura completa hay una posicin intermedia de la vlvula que permite que menos que el flujo completo de la bomba la atraviese. La relacin entre la razn de flujo a travs de la vlvula y la presin a la entrada es representada por la curva presin-flujo de la figura 3; ya que el ajuste de apertura completa est establecido a 1000 psi con un flujo de la bomba de 5 GPM, la presin de ruptura (a la que la vlvula comienza a abrir) es de 900 psi. A cualquier presin debajo de 900 PSI la vlvula estar completamente cerrada. A presiones entre 900 y 1000 PSI el flujo a travs de la vlvula ser entre 0 y 5 GPM, dependiendo de la presin a la entrada de la vlvula; esta presin es determinada por la resistencia a fluir en el circuito.

Fig. 3




La curva presin contra flujo ilustrada, muestra las caractersticas de la vlvula solo cuando est ajustada para apertura completa a 100 psi. Si se cambia este ajuste a otra presin, la curva estar ms arriba o ms abajo en proporcin a la cantidad de esa otra presin. Esto significa que la diferencia entre la presin de ruptura y la ajustada sern aproximadamente iguales para el rango entero de ajuste de presiones. Durante la operacin de un sistema hidrulico la presin fluctuar de acuerdo a la resistencia del aceite a fluir. Si el flujo es bloqueado por alguna causa, la bomba continuar empujando aceite dentro de las lneas, aumentando la presin hasta que alguna lnea se rompa o el motor elctrico se queme. Una de las aplicaciones primarias de una vlvula de alivio es evitar este problema limitando la presin del sistema a un nivel de seguridad. Para esto, la vlvula de alivio se abre a un cierto nivel de presin y permite descargar el exceso de aceite al depsito.

Fig. 4

La vlvula de alivio tambin es necesaria para limitar la presin normal de operacin y en periodos de mal funcionamiento de los componentes.




Durante la operacin normal de un sistema hidrulico, el flujo ser bloqueado por algunos periodos de tiempo. Esto incluye el caso en que la VCD est en posicin central bloqueada, cuando un cilindro esta en extensin o retraccin completa o cuando un actuador es bloqueado por una excesiva carga. En la figura 4, en que el cilindro es completamente retrado, el flujo de la bomba en el circuito est bloqueado, la bomba contina empujando aceite en las lneas hasta alcanzar una presin de 1000 psi. La vlvula de alivio se abre y descarga el aceite en el depsito a una presin de 1000 psi y detiene el aumento de presin. Por esta razn es necesario instalar una vlvula de alivio en cualquier circuito que utilice bomba de desplazamiento fijo. Otra aplicacin de la vlvula de alivio es para controlar la velocidad de un actuador utilizando las caractersticas de presin contra flujo. Como se ilustra en la figura 4, una parte de flujo de la bomba es desviado hacia la vlvula de alivio. Esto reduce la velocidad del motor porque ahora 3 GPM fluyen hacia el motor. Ntese tambin que el orificio de la vlvula de aguja esta ajustado de modo que provoca una presin en el manmetro que est entre la presin de ruptura y la presin de apertura completa ajustada en la vlvula de alivio. Los circuitos que desvan flujo hacia la vlvula de alivio para controlar la velocidad del actuador generalmente operaran a una presin cercana a la presin ajustada en la vlvula durante todo el ciclo. Si el flujo no es desviado hacia la vlvula, la presin del sistema depender de la resistencia en la carga. Adems del tipo de accin directa ilustrada en la figura 1, existe el tipo de operacin por piloto o vlvula de dos etapas. La funcin bsica es la misma en ambos tipos, sin embargo su construccin y operacin son diferentes. La figura 5 muestra un corte de una vlvula de alivio operada por piloto. La pieza que controla el flujo de aceite a travs de la vlvula es un carrete, ste se mantiene cerrado por un resorte ligero. El carrete tiene un pequeo orificio que permite al aceite que esta sobre dicho carrete tener la misma presin que a la entrada de la vlvula. El aceite en la cavidad superior del carrete acta contra una pequea vlvula de alivio de accin directa. Cuando la presin del aceite sobre el carrete alcanza cierto nivel, la vlvula de accin directa se abre y el aceite en ese punto alcanza la presin de ajuste de esa vlvula. A medida que la presin en la entrada sube, la presin en la parte inferior del carrete se hace mayor que en la parte superior. La diferencia de presin ocasiona que el carrete venza el resorte y se abra, dejando pasar al flujo. La cantidad que el carrete se abre depende de la presin a la entrada y la fuerza del resorte normalmente calibrado para 250 psi. La figura 6 muestra una vlvula de alivio ajustada para abrir completamente a 475 psi y tiene una presin de ruptura de 450 psi. Cuando la presin aumenta de 450 a 475 psi el flujo en la vlvula se incrementa. Ntese que la presin en el piloto se conserva a 450 psi aunque la presin en la entrada es mayor de 450 psi.




Fig. 5

Fig. 6

La ventaja de una vlvula de alivio operada por piloto es que su presin de ruptura y su presin de apertura completa va de 20 a 50 psi, mientras que una vlvula de accin directa requiere de 100 a 200 PSI, lo que permite ahorrar energa.




Todas las vlvulas de alivio operadas por piloto tienen un drenaje que deja pasar el aceite a travs de la vlvula de accin directa hacia el depsito. Este se llama drenaje interno y su bloqueo por suciedad causar un mal funcionamiento de la vlvula de alivio. Otra vlvula similar a la de alivio es una vlvula secuenciadora. La nica diferencia entre estas dos es que la ultima no tiene conexin interna hacia la salida. En este caso la lnea de drenaje es conectada al depsito exteriormente al depsito desde el cuerpo de la vlvula. Todas las vlvulas de alivio tienen un rango de presin en el que pueden ser ajustadas entre un mximo y un mnimo valor; algunas vlvulas pueden ser cambiadas en su rango de ajuste de presin con solo insertar un resorte diferente en el piloto.

Vlvulas de no retorno o unidireccionales (check).

La vlvula check es una vlvula hidrulica de dos puertos que permite el paso de flujo en una sola direccin. Aunque su construccin y operacin son lo ms simple de todas las vlvulas, sta es una de las ms comnmente usadas en los sistemas hidrulicos y es utilizada para efectuar diferentes funciones. La vlvula check consiste de un cuerpo con dos puertos que contiene un asiento, una pieza mvil y un resorte. Como se ilustra en la figura 1, la pieza mvil es un vstago que es forzado contra el asiento por un resorte. Cuando el aceite trata de fluir en una direccin, es bloqueado por el vstago y el asiento. En la otra direccin, la presin empuja al vstago fuera del asiento y permite al aceite fluir a travs de la vlvula. El resorte esta calibrado para una fuerza pequea que mantiene al vstago contra el asiento a menos que la presin del aceite lo obligue a abrir. Tambin se ilustra en la Fig. el smbolo universal para una vlvula check. Este smbolo que representa una vlvula check del tipo de baln, es usado para representar todas las vlvulas check, independientemente de su construccin.

Fig. 1

Las vlvulas check tienen una variedad de funciones diferentes en un sistema hidrulico. El circuito ilustrado en la figura 2 muestra algunas de las aplicaciones comunes de una vlvula check que son descritas a continuacin: HOLDING PRIME: es comn que el aceite trate de regresar por la lnea de succin de una bomba hidrulica cuando sta se detiene, lo que causa dificultad a la bomba para desarrollar suficiente succin en su entrada. Una vlvula check es a menudo instalada en la lnea de succin para mantener aceite en la lnea; este tipo de vlvula check no tiene resorte, lo que ayuda a evitar la cada de presin a travs de la vlvula.




ANTI-REVERSA DE LA BOMBA: muchas bombas pueden daarse si son movidas en sentido contrario. Hay algunos tipos de circuitos hidrulicos como aquellos que usan acumuladores, en que el aceite se ver forzado hacia atrs en la bomba, si el motor elctrico se apaga. Para evitar este problema se instala una vlvula check a la salida de la bomba para mantener la presin en el circuito si la bomba es movida en direccin inversa. Es importante notar que esta vlvula check deber instalarse siempre despus del punto en que es instalada la vlvula de alivio. Esto se hace por precaucin, para que la vlvula de alivio siempre pueda disminuir la presin.

Fig. 2

BY-PASS(atajo): las vlvulas check tambin se utilizan en los circuitos junto a otros componentes para controlar la operacin del circuito en una direccin y no tener ningn efecto en la otra direccin. En el circuito de la figura 2, la vlvula check est instalada en by-pass junto a la vlvula de aguja. Esto permite a la vlvula de aguja controlar la velocidad del motor en una direccin; en la otra direccin el flujo pasa a travs de la vlvula check y el motor opera a su completa velocidad. BACK PRESSURE: muchas vlvulas de control direccional usan la presin para mover su carrete, stas son llamadas VCD operadas por piloto. Con estos diseos hay una mnima presin del sistema que debe existir para mover el carrete. Si la VCD tiene centro en tndem, una vlvula check con un resorte ms fuerte se coloca en el puerto del tanque para crear una presin trasera suficiente para mover el carrete. Las vlvulas check tambin tienen otras aplicaciones como mantener los actuadores en cierta posicin y proveer un flujo libre al motor hidrulico mientras ste se acelera y se detiene. La mayora de las vlvulas check usadas en lneas de presin son del tipo de vstago. Se pueden conseguir de diferentes tamaos de acuerdo con el tamao del resorte, por ejemplo de 5, 10 y 65 psi. Esta presin se refiere a la necesaria para abrir la vlvula check. Es importante comprender que una vlvula check tiene una cada de presin causada por la resistencia del resorte ms la resistencia por friccin.




Si la vlvula check se usa en una lnea de baja presin, como una lnea de succin, la vlvula debe disearse para una mnima cada de presin. Estos diseos incluyen las vlvulas check de tipo de baln (figura 3).

Fig. 3

Vlvulas de control de flujo (VCF).

La vlvula de aguja y la de control de flujo son dos tipos de vlvulas hidrulicas que controlan la velocidad de un actuador por medio de la restriccin de flujo, stas son llamadas vlvulas restrictoras. En la figura 1 se ilustra una vlvula de aguja, el corte muestra que consiste de un cuerpo con dos puertos y un orificio ajustable para restringir el flujo; el orificio es ajustado por la perilla. El smbolo consiste de dos puertos con un orificio en medio, la flecha que los cruza indica que es ajustable. El flujo en la vlvula es restringido sin importar en qu direccin pase por la vlvula.




Fig. 1

La VCF ilustrada en la figura 2 es muy similar a una de aguja, la nica diferencia es que la de control de flujo tiene adems una vlvula check en su interior. La vlvula check acta como by-pass para permitir al aceite fluir libremente en una direccin y restringirlo en la otra direccin. Esta es llamada tambin vlvula check integrada. El smbolo de la VCF es el mismo que la de aguja excepto que la vlvula check ha sido aadida. En este caso, el flujo es restringido solo cuando el aceite fluye del puerto A, al puerto B. Ambos tipos de vlvulas son vlvulas no compensadas. Esto significa que no pueden ajustar sus orificios cuando hay condiciones cambiantes. Algunas vlvulas de aguja estn diseadas para ajustar el orificio cuando se tienen cambios en la presin o temperatura. En este caso se dice que son vlvulas compensadas. La aplicacin primaria de los dos tipos de VCF es para controlar la velocidad de un actuador. Hay diferentes lugares en el circuito donde se pueden instalar para ejecutar esa funcin. Como se ilustra en la figura3, uno de esos lugares es entre la vlvula de control direccional y la bomba. En este caso el orificio de la VCF ha sido ajustado de tal modo que causa una cada de presin de 400 psi, adems de las cadas por carga y friccin. Lo que provoca que exista una presin a la entrada de la vlvula de alivio de 990 psi y la vlvula de alivio descargue 2 GPM al depsito. Adems del punto A, la VCF puede colocarse en los puntos B, C y D para controlar la velocidad del actuador. En cada caso la perdida de presin en la vlvula se aade a las cadas de presin existentes debidas a la carga y a la friccin y se crea una presin total en la entrada de la vlvula de alivio. El monto de esa presin total determina la velocidad del actuador.

Fig. 2




Fig. 3

Si la VCF se coloca en el punto A o D, controlar la velocidad del actuador en ambas direcciones porque la direccin del flujo en las lneas de presin o de retorno es siempre la misma. En los puntos B y C, la direccin del flujo se invierte con la direccin del actuador en una sola direccin. Esta caracterstica es til porque permite colocar 2 VCF en el circuito, cada una es utilizada para controlar una direccin de movimiento del actuador separadamente. La vlvula de aguja puede ser colocada en cualquiera de los cuatro puntos en la figura 3 para controlar el flujo. En contraste con la VCF, la vlvula de aguja controlara la velocidad del actuador en ambas direcciones desde cualquiera de los puntos. Otra aplicacin comn para las vlvulas de aguja es para proteger los manmetros del choque del fluido en el circuito, aislndolos. La vlvula de aguja es colocada entre la entrada del manmetro y la lnea de presin. Esta vlvula de aguja es a menudo llamada vlvula de aislamiento o de corte. Solo cuando el operador necesita leer la presin la vlvula tendr que ser abierta y deber ser cerrada una vez tomada la lectura. El flujo a travs de la vlvula de aguja y de la VCF es afectado por un cambio en la carga del actuador. Esto sucede porque el flujo al actuador es determinado por la presin a la entrada de la vlvula de alivio. Si esta presin cambia, la vlvula de alivio permite pasar ms o menos flujo y cambiar la velocidad del actuador. Esta presin en la entrada de la vlvula de alivio est compuesta por las cadas de presin causadas por la VCF, la friccin del fluido y la carga. De aqu que un cambio en la carga, causar un cambio en la entrada de la vlvula de alivio y este, a la vez, cambiar la cantidad de flujo hacia el actuador. En muchos circuitos en que la carga en el actuador es casi constante o cierta variacin en la velocidad no afecta, las vlvulas no compensadas trabajan muy bien y son una solucin muy econmica. Cuando las cargas cambian, las VCF compensadas deben ser utilizadas.




INTRODUCCIN A LA NEUMTICA

El aire comprimido es una de las formas de energa ms antiguas que conoce el hombre y aprovecha para reforzar sus recursos fsicos. El descubrimiento consciente del aire como medio se remonta a muchos siglos, lo mismo que el trabajo ms o menos consciente con dicho medio. El primero del que sepamos con seguridad que se ocup de la neumtica, es decir, la utilizacin del aire comprimido como elemento de trabajo fue el griego Ktesibios. Hace ms de dos mil aos, construy una catapulta de aire comprimido. Uno de los primeros libros acerca del empleo del aire comprimido como energa procede del siglo I de nuestra era, y describe mecanismos accionados por medio de aire caliente. De los antiguos griegos procede las expresin Pneuma que designa la respiracin, el viento y, en filosofa, el alma. Como derivacin de la palabra Pneuma so obtuvo, entre otras cosas, el concepto de Neumtica, que trata los movimientos y procesos del aire. Aunque los rasgos bsicos de la neumtica se cuentan entre los ms antiguos conocimientos de la humanidad, no fue sino hasta el siglo pasado cuando empezaron a investigarse sistemticamente su comportamiento y sus reglas. Slo desde aproximadamente 1950 podemos hablar de una verdadera aplicacin industrial de la neumtica en los procesos de fabricacin. Es cierto que con anterioridad ya existan algunas aplicaciones y ramos de explotacin como por ejemplo la minera, en la industria de la construccin y en los ferrocarriles (frenos de aire comprimido). La irrupcin verdadera y generalizada de la neumtica en la industria no se inici, sin embargo, hasta que lleg a hacerse ms acuciante la exigencia de una automatizacin en los procesos de trabajo. A pesar de que esta tcnica fue rechazada en un inicio, debido en la mayora de los casos a falta de conocimiento y de formacin, fueron amplindose los sectores de aplicacin. En la actualidad ya no se concibe una moderna explotacin industrial sin el aire comprimido. Este es el motivo de que en los ramos industriales ms variados se utilicen aparatos neumticos. Causar asombro el hecho de que la neumtica se haya podido expandir en tan corto tiempo y con tanta rapidez. Esto se debe, entre otras cosas, a que en la solucin de algunos problemas de automatizacin no puede disponerse de otro medio que sea ms simple y ms econmico. Cules son las propiedades del aire comprimido que han contribuido a su popularidad?

- Abundante: Est disponible para su compresin prcticamente en todo el mundo, en cantidades ilimitadas.

- Transporte: Ela aire comprimido puede ser fcilmente transportado por tuberas, incluso a grandes

distancias. No es necesario disponer tuberas de retorno.

- Almacenable: No es preciso que un compresor permanezca continuamente en servicio. El aire comprimido puede almacenarse en depsitos y tomarse de stos. Adems, se puede transportar en recipientes (botellas).

- Temperatura: El aire comprimido es insensible a las variaciones de temperatura; garantiza un trabajo

seguro incluso a temperaturas extremas.




- Antideflagrante: No existe ningn riesgo se explosin ni incendio; por lo tanto, no es necesario

disponer instalaciones antideflagrantes, que son caras.

- Limpio: El aire comprimido es limpio y, en caso de faltas de estanqueidad en tuberas o elementos, no produce ningn ensuciamiento. Esto es muy importante, pr ejemplo, en las industrias alimenticias, de la madera, textiles y del cuero.

- Constitucin de los elementos: la concepcin de los elementos de trabajo es simple y, por tanto, de

precio econmico. - Velocidad: Es un medio de trabajo muy rpido y, por eso, permite obtener velocidades de trabajo

muy elevadas. (La velocidad de trabajo de cilindros neumticos puede regularse sin escalones.

- A prueba de sobrecargas: Las herramientas y elementos de trabajo neumticos pueden utilizarse hasta su parada completa sin riesgo alguno de sobrecarga.

Para delimitar el campo de utilizacin de la neumtica es preciso conocer tambin las propiedades adversas.

- Preparacin: El aire comprimido debe ser preparado, antes de su utilizacin. Es preciso eliminar impurezas y humedad (con objeto de evitar un desgaste prematuro en los componentes).

- Compresible: Con aire comprimido no es posible obtener para los mbolos velocidades uniformes y

constantes.

- Fuerza: El aire comprimido es econmico solo hasta cierta fuerza. Condicionado por la presin de servicio normalmente usual de 700 kPa (7bar), el lmite, tambin en funcin de la carrera y la velocidad, es de 20000 a 30000 N (2000 a 3000 kp.).

- Escape: El escape produce ruido. No obstante, este problema ya se ha resuelto en gran parte,

gracias al desarrollo de materiales insonorizantes.

- Costos: El aire comprimido es una fuente de energa relativamente cara, este elevado costo se

compensa en su mayor parte por los elementos de precio econmico y un buen rendimiento.

Produccin de aire comprimido. Para producir aire comprimido se utilizan compresores que elevan la presin del aire al valor de trabajo deseado. Los mecanismos y mandos neumticos se alimentan desde una estacin central. Entonces no es necesario calcular ni proyectar la transformacin de la energa para cada uno de los consumidores. El aire comprimido viene de la estacin compresora y llega a las instalaciones a travs de tuberas. Compresores mviles se utilizan en el ramo de la construccin o en mquinas que se desplazan frecuentemente.




Tipos de compresores

- Compresor de mbolo oscilante. Es el tipo de compresor ms difundido actualmente. Es apropiado para comprimir a baja, media o alta presin; su campo de trabajo se extiende desde unos 100 kPa (1 bar) a varios miles de kPa. (bar).

Para obtener el aire a presiones elevadas, es necesario disponer varias etapas compresoras. El aire aspirado se somete a una compresin previa por el primer mbolo, seguidamente se refrigera, para luego ser comprimido por el siguiente mbolo. El volumen de la segunda cmara de compresin es, en conformidad con la relacin, ms pequeo. Durante el trabajo de compresin se forma una cantidad de calor, que tiene que ser evacuada por el sistema de refrigeracin.

Los compresores de mbolo oscilante pueden refrigerarse por aire o por agua, y segn las prescripciones de trabajo las etapas que precisan son: Hasta 400 kPa (4 bar), 1 etapa Hasta 1500 kPa (15 bar), 2 etapas Ms de 1500 kPa (15 bar), 3 etapas o ms.




- Compresor de membrana. Este tipo forma parte del grupo de compresores de mbolo. Una membrana separa el mbolo de la cmara de trabajo, el aire no entra en contacto con las piezas mviles. Por tanto, en todo caso, el aire comprimido estar exento de aceite. Estos compresores se emplean con preferencia en las industrias alimenticias, farmacuticas y qumicas.

- Compresor de mbolo rotativo. Consiste en un mbolo que est animado de un movimiento rotatorio. El aire es comprimido por la reduccin de un volumen que est en un recinto hermtico.




- Compresor rotativo multicelular. Un rotor excntrico gira en el interior de un crter cilndrico provisto de ranuras de entrada y de salida. Las ventajas de este compresor residen en sus dimensiones reducidas, su funcionamiento silencioso y su caudal prcticamente uniforme y sin sacudidas. - Compresor de tornillo helicoidal, de dos ejes. Dos tornillos helicoidales que engranan con sus perfiles cncavo y convexo impulsan hacia el otro lado el aire aspirado axialmente.

- Compresor roots. En estos compresores, el aire es llevado de un lado al otro sin que el volumen sea modificado. En el lado de impulsin, la estanqueidad se asegura mediante los bordes de los mbolos rotativos.




- Turbocompresores. Trabajan segn el principio de la dinmica de fluidos, y son muy apropiados para grandes caudales; el aire se pone en circulacin por medio de una o varias ruedas de turbina, esta energa cintica se convierte en una energa elstica de compresin. Se fabrican de tipo axial y radial.

Compresor axial: La rotacin de los labes acelera el aire en sentido axial del flujo. Compresor radial: Aceleracin progresiva de cmara a cmara en sentido radial hacia fuera; el aire en circulacin re

apuntes hidroneumática

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