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TABLA DE CONTENIDO
INTRODUCCION A LA OLEOHIDRAULICA 4 Sistemas de Transmisin de Potencia 6 Hidrosttica 10 Elementos de un Sistema Hidrulico 17
ACTUADORES 22 Cilindros Hidrulicos 23 De Simple Efecto 24 De Doble Efecto 27 Motores Hidrulicos 34 De Engranajes 35 De Paletas 38 De Pistones 41
IMPULSORES 45 Bombas 46 De engranajes 46 De Paletas 48 De Pistones 54 Acumuladores 59 Multiplicadores de Presin 62
VALVULAS 64 Vlvulas de Retencin 65 Vlvulas Direccionales 67 Vlvulas Direccionales Proporcionales 78 Controles de Presin 81 Vlvulas de Alivio 82 Vlvulas de Secuencia 84 Vlvulas de Contrabalance 86 Vlvulas de Descarga 88 Vlvulas Reductoras de Presin 90 Vlvulas de Alivio-Descarga 91 Vlvulas Proporcionales de presin 92 Controles de Caudal 93 No Compensados o Simples 95 Compensados 96 Proporcionales 97
CIRCUITOS TIPICOS 100 Circuito simple, 1 actuador 100 Sistemas de Alta y Baja 100 Circuito Regenerativo 104 Circuito con varias direccionales 106 Hidrotransmision 107 Circuito para prensa de vulcanizado 109
ACCESORIOS 110 Solucin de ejercicios 114
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PROLOGO
La hidrulica es una de las ramas de la Ingeniera, que como muchas otras han venido desarrollando grandemente en las ultimas dcadas y se ha venido convirtiendo en una herramienta cada vez ms importante para los diseadores de maquinas o profesionales trabajadores del ramo.
Desde hace muchos siglos se uso la hidrulica para trasmitir potencia, aprovechando la energa 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 ba-jo presin para transmitir potencia y controlar movimientos complejos, es mas reciente. En el siglo pasado, durante la revolucin industrial en Inglaterra, se empez a utilizar agua confinada a alta presin para transmitir potencia y desde entonces su uso se ha venido ge-neralizando cada vez ms
Un fluido confinado es uno de los medios ms verstiles para modificar y controlar movi-mientos y transmitir potencia. Es tan resistente como el acero y, adems, infinitamente flexi-ble. 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 ms sencillas que otras leyes de la mec-nica o la electricidad y, sin embargo, hay una falta grande de orientacin en este campo, lo cual hace que muchas personas no puedan gozar de los beneficios que ofrecen los siste-mas hidrulicos.
Por esta razn he querido elaborar esta gua general sobre las posibilidades que se pueden tener en cuenta con los distintos elementos que podran intervenir en un sistema hidrulico, sin pretender que esta sea la informacin mas profunda y completa que haya sobre este te-ma tan extenso.
Se tratara de explicar de la manera mas clara y sencilla posible, la forma como trabajan al-gunos de los elementos ms comunes que conforman cualquier sistema hidrulico, sin dis-tingo de marcas o tipos, ya que la estandarizacin es alta hoy en da.
Tambin se darn algunas pautas para el diseo de un circuito hidrulico. sobre todo con el fin de hacer comprender mejor la forma como trabajan los sistemas existentes
Finalmente se tendrn algunas recomendaciones sobre como mantener en optimas condi-ciones un sistema hidrulico
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INTRODUCCION A LA OLEOHIDRAULICA
La leo hidrulica se puede definir como la rama de la ingeniera mecnica que estudia el uso de fluidos incomprensibles (en este caso aceita y por esto el prefijo leo), confinados y bajo presin, para transmitir potencia.
En este capitulo se introducirn los elementos bsicos que componen un sistema hidrulico y se estudiarn las leyes que determinan su comportamiento.
Las siguientes son algunas de las representaciones que se utilizarn para los diferentes com-ponentes de los sistemas hidrulicos.
BOMBA
CILINDRO
TANQUE
VALVULA DIRECCIONAL
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Estos son ejemplos de algunas de las maquinas en las que vemos la hidrulica aplicada hoy en da. Sus usos son tan diversos que es inconmensurable la variedad de opciones.
El gato hidrulico, elemento que aunque su principio de funciona-miento es extremadamente simple , es muy verstil y confiable, adems de ser indispensable para cualquier labor de mantenimiento mecnico.
La Inyectora de plstico, usada para inyectar plstico derre-tido en un molde y obtener as miles de elementos tales como vasos, tanques, platos, partes para autos, etc.
La prensa hidrulica, una de las maquinas mas usadas en la in-dustria, para embutir, cortar, doblar, perforar, toda clase de meta-les. Capaces de desarrollar fuerzas tan bajas como 5 toneladas pa-ra operaciones pequeas, y tan grandes como 2.000 ton. Como pa-ra cortar laminas de acero de gran calibre en aceras.
La excavadora hidrulica, maquina utilizada en la remocin de tie-rra para construir carreteras, edificaciones, etc. Maquina muy pode-rosa y verstil. Esta maquina pertenece a un segmento del mercado llamado mvil por su capacidad de moverse o desplazarse por si misma. Se caracteriza por tener un sistema hidrulico complejo.
La retroexcavadora o backhoe, maquina de tipo mvil, que cum-ple la misma funcin de la excavadora pero tiene pala adelante para arrastrar.
Donde quiera que vayamos veremos equipos hidrulicos trabajan-do.
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SISTEMAS DE TRANSMISIN DE POTENCIA
Existen diferentes tipos de sistemas de transmisin de potencia, como por ejemplo.
-SISTEMAS ELECTRICOS
-SISTEMAS MECANICOS
-SISTEMAS NEUMATICOS
-SISTEMAS HIDRAULICOS
o combinaciones de estos, pero todos tienen caractersticas 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 bsicas:
Se puede necesitar mover una carga lineal, que requiere de una fuerza constante o va-riable a una velocidad determinada, que tambin puede ser variable o constante.
Tambin se puede requerir mover una carga rotacional con un torque constante o varia-ble, a una velocidad angular, tambin constante o variable.
Todos tienen una conformacin parecida, que se puede dividir en los siguientes tres grupos:
ENTRADA. Se tiene un transductor de entrada, que convierte la energa de la fuente en la energa que va a usar el sistema para transmitir (Vg.: elctrica, mecnica, hidrulica, etc.).
SALIDA Existe igualmente, un transductor de salida, que convierte la energa propia del sistema en la energa que requiere la carga.
ELEMENTOS DE CONTROL Para poder aprovechar al mximo la energa de la fuente y para poder adecuarse lo mejor posible a la carga es indispensable tener la posibilidad de controlar los niveles de energa del sistema y la ruta de la energa dentro del sistema en cada momento del ciclo de la carga
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En el uso de un sistema elctrico de transmisin de energa elctrica, es necesario manejar la corriente y el voltaje. Si es para llevar energa elctrica a travs de grandes distancias, el volta-je debe ser alto para que la corriente sea baja y las perdidas sean menores. Pero ya para apli-carle esta energa por ejemplo, al motor de un electrodomstico, se debe bajar el voltaje al re-querimiento que esta ltimo y la corriente depender de la potencia que necesite para efectuar el trabajo para el que fue diseado.
En un sistema mecnico, se utilizan elementos mecnicos, tales como piones, ejes, roda-mientos, etc. Para trasmitir el movimiento, se puede tener control sobre la velocidad y el torque o la fuerza de acuerdo a las necesidades. Este es unos de los sistemas de transmisin mas generalizado, en los ltimos tiempos.
En un sistema neumtico, se utiliza aire comprimido como medio de transmisin de movimien-to, se puede tener control sobre la fuerza ejercida manejando la presin del aire. Y se puede tener control de la velocidad del movimiento de salida, controlando el caudal de aire que fluye a travs del sistema.
En un sistema hidrulico, es necesario poder controlar el nivel de energa potencial en el siste-ma, por medio del control de la presin del fluido, tambin la energa cintica, controlando la cantidad del fluido en el sistema por unidad de tiempo, es decir, el caudal. Adicionalmente, controlar la direccin del fluido en el sistema.
Grficamente se tendra algo como lo que se muestra en la figura 1
Figura 1. Sistemas de transmisin de potencia
Primero esta la fuente, que como se dijo, puede producir un torque a una determinada veloci-dad y que esta conectada con el transductor de entrada del sistema. Luego los elementos de control, que manejan los niveles de energa dentro del sistema y que le entregan al transductor de salida, una potencia que depende de la carga a la que est conectado.
En un sistema elctrico, el transductor de entrada puede ser un gene-rador de corriente, el control se hace con transformadores que au-mentan o disminuyen el voltaje, o de controles de frecuencia y el
ENTRADA
MOTORES ELECTRICOS MOTORES A GASOLINA TURBINAS DE GAS
MOTORES HIDRAULICOS MOTONES DE AIRE
SISTEMA DE TRANSMISION
ELECTRICOS HIDRAULICOS MECANICOS NEUMATICOS
CONBINACIONES DE LOS ANTERIORES
SALIDA
FUERZA LINEAL TORQUE
MOVIMIENTO LINEAL O ROTATIVO
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transductor de salida de un motor elctrico que da un torque a una velocidad angular, o un so-lenoide que da una fuerza a una velocidad lineal. El medio que sirve para la transmisin est conformado por lneas de cables conductores de electricidad.
En un sistema mecnico, el transductor de entrada puede ser una polea o un pin, el control se puede hacer cambiando el ancho de la polea para aumentar o disminuir su dimetro, o usando una se-rie de piones de diferentes dimetros los cuales se usaran en di-ferentes momentos de un ciclo, segn las necesidades de carga. El transductor de salida puede ser tambin una polea o un pin, un eje, un convertidor de torque etc. El medio de transductor son correas, cadenas, palancas, etc.
En un sistema hidrulico el transductor de entrada es una bom-ba que enva una cantidad determinada de aceite, que puede ser constate o varia con el tiempo. El control se hace a travs de elementos que restringen la cantidad de aceite que circula en el sistema, otros que regulan las presiones mximas 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 hidrulico lineal (cilindro hidrulico), que genera una fuerza a una velocidad lineal o un actuador hidrulico rotacional (motor hidrulico) que genera un torque a una velocidad angular. El medio de transmisin es el fluido (generalmente aceite mineral) que se mueve a travs de tuberas de alta presin.
En la figura 2 se ve como un sistema de transmisin hidrulico est compuesto. La entrada de potencia que se acopla a la bomba que es el elemento que la recibe. La bomba la entrega a las vlvulas por medio del aceite o fluido de transmisin y stas se la entregan a los actuado-res que pueden ser motores hidrulicos o cilindros.
Figura 2. Como se transmite la potencia hidrulica.
En la figura 3 se ilustra un sistema bsico de transmisin de potencia hidrulica. La curva en la parte inferior de la figura, indica el nivel de energa en el sistema: La fuente es un motor que mueve la bomba de caudal fijo y le suministra una cantidad de energa que depende de la car-ga. 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 energa.
BOMBA
VALVULAS
ACTUADOR
RPM
TORQUE
MOVIMIENTO
FUERZA
PRESION
FLUJO
PRESION
FLUJO
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Figura 3. Sistema Hidrulico de Transmisin de Potencia.
Luego dependiendo del nivel de carga, la curva llega a un punto que es la suma de esta carga con la energa que se pierde en cada uno de los elementos y la tubera del sistema. En la figu-ra 4 se pueden ver los diferentes niveles de energa y las ineficiencias generadas por cada componente del sistema hidrulico.
Figura 4. Niveles de energa e ineficiencias.
HP
INEFICIENCIA
ENTRADA BOMBA DIRECCIONALES ALIVIO ACTUADORES MAQUINA
VALVULA DIRECCIONAL
VALVULA DE ALIVIO
BOMBA
ACTUADOR LINEAL
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HIDROSTATICA
Una de las primeras aplicaciones que se hicieron de un fluido confinado bajo presin y se co-noce como palanca hidrulica (fig. 5). Esta consta de dos cilindros de diferentes dimetros que estn comunicados entre s y tienen un fluido. Al cilindro de dimetro pequeo se le intro-duce un pistn, del mismo dimetro, que sostiene una carga determinada y al cilindro grande tambin se le introduce un pistn de su mismo dimetro sosteniendo otra carga.
Figura 5. Palanca Hidrulica
Si el rea del cilindro grande es diez veces mayor que la del pequeo, la carga que se requiere en el cilindro grande es diez veces mayor que la del pequeo para que el sistema est en equilibrio. Pero al mover el pistn del cilindro pequeo una distancia de 10 , el pistn en el cilindro gran-de solo sale 1. Lo que se gana en fuerza se pierde en desplazamiento igual a como sucede en una palanca mecnica.
Este efecto es resultado de la ley que rige la hidrosttica, la ley de pascal que dice:
LA PRESION APLICADA A UN FLUIDO CONFINADO SE TRANSMITE SIN DISMINUCION DE FUERZA EN TODAS DIRECCIONES Y ACTUA CON FUERZA IGUAL Y EN AREAS IGUALES EN ANGULOS CORRESPONDIENTES
Un "Fluido confinado simplemente es un fluido que est aislado del exterior, es decir, de la presin atmosfrica. En el caso que nos interesa, consideramos a este fluido aceite hidrulico,
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que tiene ciertas caractersticas especiales que veremos mas adelante y es prcticamente incomprensible. En realidad, si tenemos un determinado volumen de aceite, por ejemplo, 100 galones, lo colocamos en un recipiente cerrado y lo comprimimos de alguna forma, pasando de 0 PSI (libras por pulgada cuadrada) a 1000 PSI entonces el volumen se habr disminuido en 0.5%, es decir, ya no habr 100 galones sino 95.5 y por cada 100 psi adicionales, el volu-men disminuir otro 0.5%
La presin se define como fuerza por unidad de rea y se consigue comprimiendo el aceite. A mayor compresin mayor disminucin de volumen y mayor presin. En el caso del gato a medida que se enva ms aceite hacia el cilindro de levante ste se desplaza ms y cuando empieza a levantar la carga y por lo tanto a requerir hacer fuerza, el aceite se va comprimien-do hasta que alcanza la presin necesaria para que, actuando sobre el rea del cilindro, ge-nere la fuerza suficiente para desplazar la carga.
Esta presin slo depende de la fuerza que debe hacer el cilindro y el rea del mismo. Ella se transmite al cilindro pequeo pero como su rea es menor la fuerza que es necesario aplicar-le es igual a la carga dividido por la relacin que hay entre el rea del cilindro grande y la del pequeo
Un sistema hidrulico muy comn es el del gato hidrulico que se usa para levantar auto-motores u otros objetos pesados. Como se ve en la figura 6 ste consta de una bomba ma-nual que succiona o chupa aceite de un recipiente y lo enva hacia un actuador hidrulico lineal o cilindro hidrulico.
En el Gato hidrulico el pistn que sirve de bomba es ms pequeo que el que se usa para levantar la carga. De esta manera se logra levantar objetos pesados con una fuerza no muy grande, pero es necesario desplazar varias veces el pistn que sirve de bomba para que haya un desplazamiento apreciable de la carga.
La figura 7 muestra una secuencia que describe el funcionamiento de un gato hidrulico
Figura 6. Gato hidrulico
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Figura 7. Funcionamiento de un Gato Hidrulico
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 automtica que enva un flujo continuo, se ob-tendr un desplazamiento tambin continuo del cilindro de levante
Figura 8. Gato con bomba continua.
La rapidez con que ocurra este desplazamiento va a depender de la cantidad de aceite que enve la bomba, es decir, del caudal.
MOTOR
CILINDRO
BOMBA
TANQUE
SUCCION SUBIDA DE CARGA RETORNO
ENTRADA
SALIDA
ENTRADA
SALIDA
ENTRADA
SALIDA
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El caudal es el volumen de aceite por unidad de tiempo normalmente expresado en Galones por Minuto (GPM). Si por ejemplo el cilindro del gato tiene un rea efectiva de 3 in cuadradas y un recorrido de 9 como se muestra en la figura 8 y la bomba enva un galn (231 in cbicas) por minuto, el cilindro se demorar aproximadamente 7 segundos.
Si la carga que tiene que levantar el cilindro es de 1500 lbf (libra-fuerza), la presin a la que tiene que llegar el aceite deber ser de 500 libras por pulgada cuadrada (PSI) para lo cual de-bern haber, al final del recorrido, 0.0675 in3 adicionales de aceite, es decir, 0,25% ms:
V Q = t
0.117 min V t= Q
3 in2222 = X 9 in in
231 min
= 7 seg. =
Volumen adicional= V x 0.5% x P 1000 psi
3 in2222 x 9 in x 0.5% 500 psi 1000 psi
= 27 in3333 x 0.25% =
=0.0675 in3333
MOTOR
800 psi
8000 lbs
10 in2
10 GPM MOTOR
800 psi
8000 lbs
10 in2
10 GPM
SI 9 1/2" GPM SE FUGAN A TRAVES DEL PISTON
DAADO
LA PRESION ES IGUAL A :
10 IN2222 8000 LBS
A F =
= 800 psi
Figura 9. No hay fugas en el sistema. Figura 10. An cuando hay una fuga grande el pistn sube la carga.
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Suponiendo que en este cilindro se presentara una fuga de aceite, por lo cual se perdieran 9 1/2 GPM de los 10 que enva la bomba, es decir, medio galn por minuto para subir la carga, como se ve en la figura 10 todava habra suficiente aceite para adicionar ese 1/2 requerido para llegar y mantener la presin de 800 PSI necesaria para levantar la carga aunque como se est quedando solo con el 5% del caudal, el desplazamiento se har al 5% de la velocidad. Aprovechando esto, se puede ocasionar una fuga deliberada con el fin de poder disminuir la velocidad de desplazamiento de un cilindro o un actuador hidrulico, desde un mximo que est determinado por caudal el total de la bomba.
Como se muestra en la figura 11 al ir res-tringiendo el paso de un caudal de aceite, ste se empieza a comprimir antes de la restriccin originando un aumento de pre-sin en esta zona y generando lo que se conoce como cada de presin.
Mientras mayor sea la restriccin, mayor ser la cada de presin, y si se cierra del todo el aceite se comprimir hasta que la fuerza ejercida por la presin dae la bomba o la tubera o hasta que se abra una vlvula de seguridad o de alivio colo-cada entre la bomba y la restriccin y gra-duada a una presin mxima determinada
Con esta combinacin de restriccin y vlvula limitadora de la presin, se pude dejar la fuga deliberada mencionada an-teriormente. Lo que se hace es que se coloca una restriccin y un control de pre-sin de tal forma, que no todo el aceite que viene de la bomba va al cilindro o ac-tuador
En resumen se tienen dos conceptos importantes:
La Presin. Que es fuerza por unidad de rea y que se logra por la resisten-cia que haya en el aceite y que lo comprime.
El Caudal, que es el volumen de aceite por unidad de tiempo y que depende de la bomba.
La relacin entre los dos es la "cada de presin" que se genera por el paso de un caudal a travs de una restriccin.
Existe otra relacin entre la presin y el caudal y es la que puede obtener expresando la po-tencia requerida en un sistema hidrulico con base en las dos.
MOTOR 10 GPM
1 0 i n
2
Figura 11. Cada de presin limitada por la valvula de alivio
LA RESTRICCN LIMITA EL CAUDAL A 5 GPM EL ACTUADOR
SOLO RECIBE 5 GPM Y AVANZA A LA MITAD DE LA VELOCIDAD
EL EXCESO DE 5 G P M E S DESVIADO A TRAVES DE LA VALVULA DE
V Q = t
F P = A
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La potencia es el trabajo hecho por unidad de tiempo. El trabajo es la fuerza por distancia, as que la potencia se puede expresar como fuerza por distancia sobre tiempo.
En un sistema hidrulico, la fuerza est relacionada con la presin y la velocidad con el caudal, as que se puede expresar la potencia como una relacin de la presin y el caudal. As que:
Como un galn = 231 in3 y 12 in = 1 pie,
Que es la potencia necesaria para tener en un sistema hidrulico un GPM a un PSI de presin. Como un HP = 33000 libras-pie / minuto entonces:
Es decir, que por cada GPM y por cada PSI que se requieran en un sistema, se necesitan 0.000583 HP
Tomando en cuenta la eficiencia del sistema que es el 80% aproximadamente, la potencia de entrada requerida en un sistema se puede calcular con la siguiente expresin:
FUERZA x DISTANCIA TIEMPO
POTENCIA = = FUERZA x VELOCIDAD
POTENCIA = CAUDAL (GPM) x PRESION (psi)
POTENCIA = GALONES MINUTO
x 231 IN3333
GALON x LIBRAS
IN2222 x PIE
12 IN
POTENCIA = 19.25 LIBRAS-PIE MINUTO
POTENCIA = 19.25 33000
HP = 0.000583 HP
POTENCIA (HP)= CAUDAL (GPM) x PRESION (psi) x 0.000583
POTENCIA (HP)= CAUDAL (GPM) x PRESION (psi) x 0.0007
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Ejemplo 1
Se tiene un sistema de las siguientes caractersticas:
Diametro del cilindro 5 in Carrera de cilindro 8 in Tamao de carga 9 toneladas Velocidad mxima subiendo: 1 in/s
Calcule la presin, el caudal y la potencia del sistema.
Para convertir de toneladas a libras multiplicamos por 2205, por lo que la fuerza es de:
El rea efectiva del cilindro es de:
Por lo tanto la presin que ser necesario generar para levantar la carga esta dada por:
El caudal necesario ser:
Para expresarlo en GPM se divide por 231 in3/Galn y se multiplica por 60 Seg./Min. :
La potencia requerida para tener un sistema con estas caractersticas ser
Potencia de entrada=5 GPM x 1011 PSI x 0.0007 =3.6 HP
Lbs Ton
F = 9 Ton x 2205 = 19845 Lbs
D2222
4 A = p x =19.63 in3333
IN SEG
Q = V x A = 1 x 19.63 IN2222=19.63 IN3333
SEG
19.63
231 Q = = 5 GPM
IN3333
SEG IN3333
GALON
x 60 SEG
MIN
F
A P = =1011 PSI 19845 LBS
19.63 IN2222 =
17171717
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ELEMENTOS DE UN SISTEMA HIDRULICO
Se han mencionado ya algunos de los elementos que componen un sistema hidrulico, con la bomba y el cilindro hidrulico que son los transductores de entrada y de salida del sistema. Tambin se ha mencionado la vlvula de alivio, que regula la presin mxima, y la restriccin que sirve para regular el caudal. Tambin existe un control para poder hacer que el cilindro se mueva empujando el vstago hacia fuera o que lo hale hacindolo entrar. Este es un control "direccional, que completara un sistema sencillo, como se ven en la figura 12 y que puede ser el que sirva para resolver el problema planteado al final del apartado anterior.
Figura 12. Sistema hidrulico empujando la carga de 9 toneladas a una velocidad de 1 in/seg.
MOTOR 10 GPM
9 Ton
CILINDRO DE 5 DE DIAMETRO
POSICION DE BAJADA
POSICION DE SUBIDA
VALVULA DE ALIVIO
MOTOR ELECTRICO DE
3.5 HP
BOMBA DE 5 GPM
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SIMBOLOGIA HIDRAULICA
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PALANCA
PEDAL
RUEDA
DETENTE
COMPENSADOR
SOLENOIDE
SERVOMOTOR
PRESION PILOTO
CONTROL DE FLUJO COM-PENSADO CON CHECK
DIRECCIONAL 2 VIAS/2 POS
DIRECCIONAL 3 VIAS/2 POS
DIRECCIONAL 4 VIAS/2 POS
2 VIAS/3 POS C. CERRADO
2 VIAS/3 POS C. ABIERTO
2 VIAS/3 POS C. CERRADO PROPORCIONAL
CHECK
DE BOLA
ALIVIO
REDUCTORA DE PRESION
CONTROL DE FLUJO
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PREGUNTAS
1. En un sistema hidrulico, que hacen:
-El transductor de entrada -El transductor de salida -Los elementos de control
2 Qu ventajas cree usted que tenga un sistema hidrulico sobre un elctrico o un mecnico?
3 Qu ventajas tiene el uso del aceite como fluido, sobre el uso de otros lquidos inclusive mas baratos como agua por ejemplo?
4 Qu caractersticas deben tener los pistones de un gato hidrulico para que la fuerza ejerci-da por el operario sea menor que la carga que debe levantar? Cmo se compensa esta fuerza menor, para que el trabajo total se conserve?
5 Porque es tan importante la presencia de por lo menos una vlvula de alivio en todo siste-ma hidrulico?
EJERCICIOS
1. Una bomba de 2 GPM se utiliza para llenar un cilindro de 6 in de dimetro y 12 in de longi-tud, Cuanto tiempo tardar?
2. El cilindro mostrado tiene un dimetro de 5 pulgadas y sostiene una carga de 20 toneladas a una altura de 12 pulgadas. a)Cunto subir el pistn si se retira la carga? b)Cunto bajara si la carga se duplica?
(Suponga que la masa del pistn es despreciable)
3. Se desea mover una carga de 7 toneladas con un cilindro de 3,5 in de dimetro. El recorrido de 12 pulgadas debe completarse en menos de un minuto a)A cuanto subir la presin en el sistema? b)Que caudal debe enviar la bomba como mnimo para lograr esto?
4 El cilindro mostrado debe levantar la carga de 50 toneladas a una altura de 8 pulgadas sobre su nivel actual. Encuentre la presin (en PSI) y el volumen adicional de aceite que habr en el cilindro (en galones), si el dimetro del cilindro es: a) 5 Pulgadas b)8 Pulgadas c)10 Pulgadas
Debe tenerse en cuenta la compresibilidad de aceite para calcular el volumen adicional?
20 Ton
50 Ton
21212121
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5 Un cilindro de 5 pulgadas de dimetro mueve una carga de 25 toneladas. El recorrido total es de 11 pulgadas y se realiza en 8 segundos. a)Cul es la presin del aceite en el cilindro? b) Que caudal entra al cilindro? c)Cual es la potencia necesaria en este sistema hidrulico?
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ACTUADORES
Los actuadores son los elementos del sistema que utilizamos para convertir la energa almace-nada en el fluido en un trabajo, es decir, los transductores de salida del sistema.
Lo actuadores hidrulicos se clasifican de la siguiente manera:
De Movimiento Rectilneo o Cilindros Hidrulicos.
1 De simple efecto
2 De doble efecto
A Vstago sencillo
B Vstago doble
De movimiento rotativo
1 Unidireccionales
2 Bidireccionales
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CILINDROS HIDRAULICOS
Como se vio en el capitulo anterior, por definicin la presin se puede determinar con la si-guiente expresin:
El caudal se puede determinar como:
Si se trabaja la fuerza en libras y el rea efectiva del pistn en el cilindro, en in2, entonces:
Si se tiene la presin y se desea saber la fuerza que desarrollar un determinado cilindro, en-tonces:
S la velocidad est en in/seg. y el rea es in2 y se quiere el caudal en GPM, entonces:
Si lo que se tiene es el caudal y se quiere encontrar la velocidad de un determinado cilindro, entonces:
P = F
A
Q = V x A
Fuerza (lbs)
Area (in2222) Presin (psi) =
Fuerza (lbs) = Presin (psi) x Area (in2222)
Area (in2)2)2)2) Velocidad
in
seg =Caudal (GPM) x 3.85
x 3.85
Caudal (GPM) = Area (in2222)))) Velocidad
in
seg
in
seg ) x Caudal (GPM) = Area (in2222) x Velocidad (
in3333 gal
seg
min 60
231
24242424
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CILINDROS DE SIMPLE EFECTO
Los cilindros de simple efecto constan de un tubo cerrado en uno de sus lados dentro del cual va un mbolo o vstago que se desliza hacia dentro o hacia fuera. Entre los dos existe un buje que sirve de gua y unos empaques que no permiten que el aceite salga. No tienen sino una sola cmara y el rea sobre la que acta la presin, es el rea del vstago.
En la figura 13 se muestra un cilindro de simple efecto.
Figura 13. Cilindro Hidrulico de simple efecto
Dado que no tienen sino una cmara, al introducir el aceite el vstago saldr, pero no ser po-sible hacer que el vstago retorne, sino solo usando una fuerza externa.
En la figuras 14,15 y 16 hay tres tablas con las que se pueden hallar presiones y caudales o fuerzas y velocidades, para cilindros de diferentes dimetro o reas. Por ejemplo, si se desea saber la fuerza que hara un cilindro de 4 in de dimetro, con una presin en el sistema de 500 PSI. miramos en la tabla en la columna de la izquierda, seleccionamos el primer 4, miramos en la fila superior seleccionando 500 psi en fuerza saliendo y en la interseccin entre la co-lumna de 500 psi y la fila de 4, vemos el valor de 2.85 ton. Hacemos lo mismo para saber las velocidades saliendo y entrando.
DE LA BOMBA
CARGA
SUBIDA
AL TANQUE
BAJADA
CARGA
25252525
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Camilo H. Rueda
Figura 14. Tabla de fuerzas y presiones en cilindros hidrulicos.
Figura 15. Tabla de velocidades y caudales con el vstago saliendo.
PISTON VASTAGO
CAUDAL EN GPM VASTAGO SALIENDO
IN IN 0.5 1 2 3 4 5 10 15 20 30 40 50 60 70 80 90 1.5 0.625 1.09 2.18 4.36 6.53 8.71 10.89 21.78 32.67 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40 1.5 0.75 1.09 2.18 4.36 6.53 8.71 10.89 21.78 32.67 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40 2 1 0.61 1.23 2.45 3.68 4.90 6.13 12.25 18.38 24.50 36.75 >40 >40 >40 >40 >40 >40 2 1.375 0.61 1.23 2.45 3.68 4.90 6.13 12.25 18.38 24.50 36.75 >40 >40 >40 >40 >40 >40
2.5 1 0.39 0.78 1.57 2.35 3.14 3.92 7.84 11.76 15.68 23.52 31.36 39.20 >40 >40 >40 >40 2.5 1.375 0.39 0.78 1.57 2.35 3.14 3.92 7.84 11.76 15.68 23.52 31.36 39.20 >40 >40 >40 >40 2.5 1.75 0.39 0.78 1.57 2.35 3.14 3.92 7.84 11.76 15.68 23.52 31.36 39.20 >40 >40 >40 >40 3.25 1.375 0.23 0.46 0.93 1.39 1.86 2.32 4.64 6.96 9.28 13.92 18.56 23.20 27.83 32.47 37.11 >40 3.25 1.75 0.23 0.46 0.93 1.39 1.86 2.32 4.64 6.96 9.28 13.92 18.56 23.20 27.83 32.47 37.11 >40 3.25 2.5 0.23 0.46 0.93 1.39 1.86 2.32 4.64 6.96 9.28 13.92 18.56 23.20 27.83 32.47 37.11 >40
4 1.75 0.15 0.31 0.61 0.92 1.23 1.53 3.06 4.59 6.13 9.19 12.25 15.31 18.38 21.44 24.50 27.56 4 2 0.15 0.31 0.61 0.92 1.23 1.53 3.06 4.59 6.13 9.19 12.25 15.31 18.38 21.44 24.50 27.56 4 2.5 0.15 0.31 0.61 0.92 1.23 1.53 3.06 4.59 6.13 9.19 12.25 15.31 18.38 21.44 24.50 27.56 5 2 0.10 0.20 0.39 0.59 0.78 0.98 1.96 2.94 3.92 5.88 7.84 9.80 11.76 13.72 15.68 17.64 5 2.5 0.10 0.20 0.39 0.59 0.78 0.98 1.96 2.94 3.92 5.88 7.84 9.80 11.76 13.72 15.68 17.64 5 3 0.10 0.20 0.39 0.59 0.78 0.98 1.96 2.94 3.92 5.88 7.84 9.80 11.76 13.72 15.68 17.64 5 3.5 0.10 0.20 0.39 0.59 0.78 0.98 1.96 2.94 3.92 5.88 7.84 9.80 11.76 13.72 15.68 17.64 6 2.5 0.07 0.14 0.27 0.41 0.54 0.68 1.36 2.04 2.72 4.08 5.44 6.81 8.17 9.53 10.89 12.25 6 3.5 0.07 0.14 0.27 0.41 0.54 0.68 1.36 2.04 2.72 4.08 5.44 6.81 8.17 9.53 10.89 12.25 7 3.5 0.05 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 1.00 1.50 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 7 4 0.05 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 1.00 1.50 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 8 3.5 0.04 0.08 0.15 0.23 0.31 0.38 0.77 1.15 1.53 2.30 3.06 3.83 4.59 5.36 6.13 6.89 8 4 0.04 0.08 0.15 0.23 0.31 0.38 0.77 1.15 1.53 2.30 3.06 3.83 4.59 5.36 6.13 6.89 8 4.5 0.04 0.08 0.15 0.23 0.31 0.38 0.77 1.15 1.53 2.30 3.06 3.83 4.59 5.36 6.13 6.89
10 4.5 0.02 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.49 0.74 0.98 1.47 1.96 2.45 2.94 3.43 3.92 4.41 10 5.5 0.02 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.49 0.74 0.98 1.47 1.96 2.45 2.94 3.43 3.92 4.41
VELOCIDAD EN PULGADAS POR SEGUNDO
PISTON VASTAGO FUERZA SALIENDO (TONELADAS) PRESION (PSI) IN IN 100 500 1000 1500 2000 3000 4000 5000 100 500 1000 1500 2000 3000 4000 5000 1.5 5/8 0.08 0.40 0.80 1.20 1.61 2.41 3.21 4.01 0.07 0.33 0.66 1.00 1.33 1.99 2.65 3.32 1.5 3/4 0.08 0.40 0.80 1.20 1.61 2.41 3.21 4.01 0.06 0.30 0.60 0.90 1.20 1.81 2.41 3.01 2 1 0.14 0.71 1.43 2.14 2.85 4.28 5.71 7.14 0.11 0.54 1.07 1.61 2.14 3.21 4.28 5.35 2 1 3/8 0.14 0.71 1.43 2.14 2.85 4.28 5.71 7.14 0.08 0.38 0.75 1.13 1.51 2.26 3.01 3.76
2.5 1 0.22 1.12 2.23 3.35 4.46 6.69 8.92 11.15 0.19 0.94 1.87 2.81 3.75 5.62 7.49 9.37 2.5 1 3/8 0.22 1.12 2.23 3.35 4.46 6.69 8.92 11.15 0.16 0.78 1.56 2.33 3.11 4.67 6.22 7.78 2.5 1 3/4 0.22 1.12 2.23 3.35 4.46 6.69 8.92 11.15 0.11 0.57 1.14 1.71 2.27 3.41 4.55 5.69 3.25 1 3/8 0.38 1.88 3.77 5.65 7.54 11.31 15.08 18.84 0.31 1.55 3.09 4.64 6.19 9.28 12.38 15.47 3.25 1 3/4 0.38 1.88 3.77 5.65 7.54 11.31 15.08 18.84 0.27 1.34 2.68 4.01 5.35 8.03 10.70 13.38 3.25 2 1/2 0.38 1.88 3.77 5.65 7.54 11.31 15.08 18.84 0.15 0.77 1.54 2.31 3.08 4.62 6.16 7.69
4 1 3/4 0.57 2.85 5.71 8.56 11.42 17.13 22.84 28.55 0.46 2.31 4.62 6.92 9.23 13.85 18.47 23.08 4 2 0.57 2.85 5.71 8.56 11.42 17.13 22.84 28.55 0.43 2.14 4.28 6.42 8.56 12.85 17.13 21.41 4 2 1/2 0.57 2.85 5.71 8.56 11.42 17.13 22.84 28.55 0.35 1.74 3.48 5.22 6.96 10.44 13.92 17.39 5 2 0.89 4.46 8.92 13.38 17.84 26.76 35.68 44.60 0.75 3.75 7.49 11.24 14.99 22.48 29.97 37.47 5 2 1/2 0.89 4.46 8.92 13.38 17.84 26.76 35.68 44.60 0.67 3.35 6.69 10.04 13.38 20.07 26.76 33.45 5 3 0.89 4.46 8.92 13.38 17.84 26.76 35.68 44.60 0.57 2.85 5.71 8.56 11.42 17.13 22.84 28.55 5 3 1/2 0.89 4.46 8.92 13.38 17.84 26.76 35.68 44.60 0.45 2.27 4.55 6.82 9.10 13.65 18.20 22.75 6 2 1/2 1.28 6.42 12.85 19.27 25.69 38.54 51.38 64.23 1.06 5.31 10.62 15.92 21.23 31.85 42.46 53.08 6 3 1/2 1.28 6.42 12.85 19.27 25.69 38.54 51.38 64.23 0.85 4.24 8.47 12.71 16.95 25.42 33.90 42.37 7 3 1/2 1.75 8.74 17.48 26.23 34.97 52.45 69.94 87.42 1.31 6.56 13.11 19.67 26.23 39.34 52.45 65.57 7 4 1.75 8.74 17.48 26.23 34.97 52.45 69.94 87.42 1.18 5.89 11.78 17.66 23.55 35.33 47.10 58.88 8 3 1/2 2.28 11.42 22.84 34.25 45.67 68.51 91.35 114.18 1.85 9.23 18.47 27.70 36.93 55.40 73.86 92.33 8 4 2.28 11.42 22.84 34.25 45.67 68.51 91.35 114.18 1.71 8.56 17.13 25.69 34.25 51.38 68.51 85.64 8 4 1/2 2.28 11.42 22.84 34.25 45.67 68.51 91.35 114.18 1.56 7.81 15.61 23.42 31.22 46.83 62.44 78.05
10 4 1/2 3.57 17.84 35.68 53.52 71.36 107.05 142.73 178.41 2.85 14.23 28.46 42.68 56.91 85.37 113.83 142.28 10 5 1/2 3.57 17.84 35.68 53.52 71.36 107.05 142.73 178.41 2.49 12.44 24.89 37.33 49.78 74.66 99.55 124.44
FUERZA ENTRANDO (TONELADAS)
26262626
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Figura 16. Tabla de velocidades y caudales con el vstago entrando.
Tambin estn los cilindros "telescpicos". En estos el vstago consta de dos o ms etapas una dentro de la otra, como se muestra en la figura 17, de tal forma que van saliendo una a la vez (por diferencia de reas). Logrndose un recorrido que es igual al que tendra si fuera una sola etapa, multiplicado por el nmero de etapas que tenga.
Figura 17. Cilindro telescpico.
PISTON VASTAGO CAUDAL EN GPM VASTAGO ENTRANDO IN IN 0.5 1 2 3 4 5 10 15 20 30 40 50 60 70 80 90 1.5 0.625 1.32 2.64 5.27 7.91 10.54 13.18 26.35 39.53 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40 1.5 0.75 1.45 2.90 5.81 8.71 11.61 14.52 29.04 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40 2 1 0.82 1.63 3.27 4.90 6.53 8.17 16.33 24.50 32.67 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40 2 1.375 1.16 2.32 4.65 6.97 9.29 11.61 23.23 34.84 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40
2.5 1 0.47 0.93 1.87 2.80 3.73 4.67 9.33 14.00 18.67 28.00 37.33 >40 >40 >40 >40 >40 2.5 1.375 0.56 1.12 2.25 3.37 4.50 5.62 11.24 16.86 22.48 33.72 >40 >40 >40 >40 >40 >40 2.5 1.75 0.77 1.54 3.07 4.61 6.15 7.69 15.37 23.06 30.75 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40
3.25 1.375 0.28 0.57 1.13 1.70 2.26 2.83 5.65 8.48 11.30 16.95 22.60 28.25 33.90 39.55 >40 >40 3.25 1.75 0.33 0.65 1.31 1.96 2.61 3.27 6.53 9.80 13.07 19.60 26.13 32.67 39.20 >40 >40 >40 3.25 2.5 0.57 1.14 2.27 3.41 4.54 5.68 11.36 17.04 22.72 34.09 >40 >40 >40 >40 >40 >40
4 1.75 0.19 0.38 0.76 1.14 1.51 1.89 3.79 5.68 7.57 11.36 15.15 18.94 22.72 26.51 30.30 34.09 4 2 0.20 0.41 0.82 1.23 1.63 2.04 4.08 6.13 8.17 12.25 16.33 20.42 24.50 28.58 32.67 36.75 4 2.5 0.25 0.50 1.01 1.51 2.01 2.51 5.03 7.54 10.05 15.08 20.10 25.13 30.15 35.18 >40 >40 5 2 0.12 0.23 0.47 0.70 0.93 1.17 2.33 3.50 4.67 7.00 9.33 11.67 14.00 16.33 18.67 21.00 5 2.5 0.13 0.26 0.52 0.78 1.05 1.31 2.61 3.92 5.23 7.84 10.45 13.07 15.68 18.29 20.91 23.52 5 3 0.15 0.31 0.61 0.92 1.23 1.53 3.06 4.59 6.13 9.19 12.25 15.31 18.38 21.44 24.50 27.56 5 3.5 0.19 0.38 0.77 1.15 1.54 1.92 3.84 5.76 7.69 11.53 15.37 19.22 23.06 26.90 30.75 34.59 6 2.5 0.08 0.16 0.33 0.49 0.66 0.82 1.65 2.47 3.29 4.94 6.59 8.24 9.88 11.53 13.18 14.82 6 3.5 0.10 0.21 0.41 0.62 0.83 1.03 2.06 3.09 4.13 6.19 8.25 10.32 12.38 14.44 16.51 18.57 7 3.5 0.07 0.13 0.27 0.40 0.53 0.67 1.33 2.00 2.67 4.00 5.33 6.67 8.00 9.33 10.67 12.00 7 4 0.07 0.15 0.30 0.45 0.59 0.74 1.48 2.23 2.97 4.45 5.94 7.42 8.91 10.39 11.88 13.36 8 3.5 0.05 0.09 0.19 0.28 0.38 0.47 0.95 1.42 1.89 2.84 3.79 4.73 5.68 6.63 7.57 8.52 8 4 0.05 0.10 0.20 0.31 0.41 0.51 1.02 1.53 2.04 3.06 4.08 5.10 6.13 7.15 8.17 9.19 8 4.5 0.06 0.11 0.22 0.34 0.45 0.56 1.12 1.68 2.24 3.36 4.48 5.60 6.72 7.84 8.96 10.08 10 4.5 0.03 0.06 0.12 0.18 0.25 0.31 0.61 0.92 1.23 1.84 2.46 3.07 3.69 4.30 4.92 5.53 10 5.5 0.04 0.07 0.14 0.21 0.28 0.35 0.70 1.05 1.41 2.11 2.81 3.51 4.22 4.92 5.62 6.32
VELOCIDAD EN PULGADAS POR SEGUNDO
50 Ton
SUBIDA
DE LA BOMBA
50 Ton
BAJADA
AL TANQUE
27272727
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CILINDROS DE DOBLE EFECTO.
Los cilindros de doble efecto son en los que, tanto la salida como el retorno, se hacen por me-dio del aceite. Esto quiere decir que son capaces de suministrar potencia, tanto saliendo como entrando.
El cilindro ms comn de doble efecto, consta de una camisa dentro de la cual va un pistn unido al vstago y dos tapas en los extremos que cierran la salida del aceite. Este pistn divide el cilindro en dos cmaras cuyas reas sobre las que va actuar la presin son diferentes, debi-do a que una de ellas se encuentra el vstago.
Durante el avance, el aceite ejerce presin sobre todo el rea del pistn, mientras que en el regreso solo lo hace en el rea anular, es decir, el rea del pistn menos el rea del vstago. Esto hace que a stos cilindros se les conozca como"cilindros diferenciales".
En la figura 18 se muestra el funcionamiento de un cilindro de doble efecto.
Figura 18. Funcionamiento de un cilindro de doble efecto.
En las tablas de la figura 14, y 15 se encuentran las caractersticas de los cilindros diferencia-les, la tabla encontrada en el rea efectiva de diferentes cilindros de tamao estndar y la fuer-za en libras para diferentes presiones de operacin.
Estas tablas sirven de ayuda cuando se necesita verificar el comportamiento de un sistema hidrulico Nuevo o cuando se desea verificar el funcionamiento de uno que esta fallando. En las tablas se puede apreciar como varia la fuerza y la velocidad de un cilindro saliendo o en-trando.
8000 lbs 8000 lbs
AVANCE DEL CILINDRO RETROCESO DEL CILINDRO
AL TANQUE
AL TANQUE DE LA BOMBA
DE LA BOMBA
28282828
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En la figura 20 se muestra el corte de un cilindro hidrulico de doble efecto y se pueden ver todos sus componentes.
Figura 20. Corte de un cilindro de doble efecto
Si a un cilindro de doble efecto se le hace vstago en los dos extremos, las reas en las dos cmaras sern iguales. Este es un "cilindro de doble vstago". 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 sa-lida de la cmara del vstago, o la que este inactiva, al tanque.
Existen varias opciones en los cilindros de doble efecto, en lo que se refiere a su construccin, segn las especificaciones de la carga. Primero, en lo que se refiere a la velocidad, se usan empaques de polimricos si no se sobrepasa de 1 (un) pie por segundo. Por encima de esta velocidad se deben usar empaques metlicos, parecidos a los que se usan en los motores de combustin interna. Adems, si esta velocidad es muy alta, es recomendable usar amortigua-dores en los extremos, para que no se presenten golpes en los finales de carrera.
RASPADOR
BUJE
RETENEDOR
O RING CAMISA
CAMISA BRUIDA
EMPAQUE PISTON
AMORTIGUADOR
TUERCA DEL TENSOR TAPA TRASERA
TAPA DELANTERA
VASTAGO
GUIA ANTIFRICCION
PISTON
29292929
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El amortiguador lo que hace es restringir la salida del aceite cuando el cilindro llega al extremo disminuyendo la velocidad en ese punto. En la figura 2.7 se muestra el funcionamiento de en amortiguador.
Figura 21. Funcionamiento de un amortiguador en un cilindro
Otro parmetro importante que debe ser tenido en cuenta cuando se escoge un cilindro es el dimetro mnimo del vstago. Existen diferentes tablas para escogerlo de acuerdo a la fuerza del trabajo del cilindro. Estas se basan en el efecto de "columna" que debe soportar el cilindro y dependen del tipo de montaje que se use. En la figura 22 se muestran los diferentes tipos de montajes de cilindros.
Tpico amortiguador recto
Amortiguador perfilado
Amortiguador Ideal
Pre
sin
de
am
ort
igu
aci
n
Carrera de amortiguador
30303030
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Figura 22. Tipos de montaje
Frontal Posterior Pies
Tornillos largos Pivote frontal Pivote intermedio
Pivote trasero-macho Pivote trasero-hembra Pivote trasero-rotula
Pivote trasero sin tirantes Doble vastago
31313131
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Los pasos para la seleccin adecuada del dimetro del vstago son los siguientes:
1 Seleccione el dimetro del pistn basndose en el valor de la carga y la presin de opera-cin de la lnea de transmisin
2 Determine la longitud "L" entre los puntos de montaje y el correspondiente valor de "K" de acuerdo con la figura 2.8
3 Con esto valores se consulta la tabla de la figura 2.9 para seleccionar el dimetro adecuado del vstago
4 Si obtiene un dimetro sobre diseado revise los valores de "L" y "K"
Figura 23. Tipos de montaje y valores de K
FLANCHE FRONTAL
K= 4L
GUIA CORTA
K=L
SIN GUIA
K=4L
PIVOTADA ATRAS
K=L
FLANCHE POSTERIOR
K= 4L
GUIA LARGA
K=L/2
PIVOTADA AL FRENTE
K=L
PIVOTADA ATRAS
K=L
32323232
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Si la carrera del cilindro es muy larga, al salir el vstago completamente, una fuerza axial so-bre este, debida a su propio peso en caso de estar en posicin horizontal o cualquier otra que se pueda presentar, ocasionara un esfuerzo muy grande en el buje gua del vstago, lo cual disminuir la vida del mismo.
Fig. 24. Tabla de seleccin de dimetros de vstago
Para que este efecto sea mnimo, se usa lo que se conoce como "tubo de parada". Este es un espaciador que lleva el vstago al lado del pistn, con el fin de no permitir la salida completa del primero. En la figura 24 se observa como es el tubo de parada.
DIAMETR O DE VASTAGO FUERZA (LBS) 5/8 1 1 3/8 1 3/4 2 2 1/2 3 3 1/2 4 4 1/2 5 5 1/2 6
400 35 64 134 700 30 68 119 1000 26 60 105 156 190 1400 24 54 93 144 175 244 306 1800 27 46 84 127 160 230 294 366 2400 18 45 75 114 145 214 261 347 3200 16 40 68 103 131 195 252 329 398 4000 12 36 63 93 119 174 240 310 373 445 5000 9 36 60 87 112 163 225 289 359 426 6000 30 56 82 102 152 209 274 342 411 476 8000 25 51 76 93 136 186 244 310 375 446 10000 21 45 70 89 125 172 221 279 349 412 12000 17 41 64 85 117 155 210 270 306 388 455 16000 35 57 75 110 141 166 233 291 350 421 20000 28 52 66 103 136 173 218 276 325 385 30000 39 56 87 120 156 190 232 285 330 40000 24 43 75 108 142 177 210 248 293 50000 30 65 97 131 165 201 234 269 405 60000 57 88 119 154 191 226 256 384 80000 36 71 104 136 170 204 240 336
100000 56 91 120 154 199 224 324 120000 45 76 106 145 174 207 313 140000 64 95 129 162 194 301 160000 47 87 118 149 182 279 200000 65 96 131 160 260 250000 72 109 143 236 300000 85 120 212 350000 53 100 195 400000 72 182 500000 152 600000 114 700000 72
33333333
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Figura 25. Tubo de parada
Cuando la distancia "L" que aparece en la tabla de la figura 22 excede 40 pulgadas es reco-mendable usar el tubo de parada. La longitud de ste deber ser de una pulgada por cada 10 pulgadas o fraccin que est por encima de las 40 pulgadas. Es decir:
As, si por ejemplo se tiene un cilindro de 4" de dimetro pivotado en los extremos y de 25 pul-gadas de carrera, "L" seria igual a 50 pulgadas mas la longitud de las tapas el pistn y los pivo-tes del cilindro que pueden ser de unas 13 pulgadas aproximadamente, es decir, 63 pulgadas en total. Por lo tanto como son 23 pulgadas por encima de las 40 bsicas, el tubo de parada deber ser de 3 pulgadas.
1 in
14 in
10lbs
150 lbsReaccin
3 in
12 in
10lbs
SIN TUBO DE PARADA CON TUBO DE PARADA
L - 40 IN
10 TUBO DE PARADA =
TUBO DE PARADA
CARGA
50 lbs Reaccin
34343434
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MOTORES HIDRAULICOS
Se denominan motores hidrulicos a los actuadores que tienen movimiento rotatorio. En cuan-to su construccin se parece mucho a las bombas pero en lugar de enviar caudal son movidos por ste a una velocidad que depende del mismo.
Se distinguen dos clases principales, los motores unidireccionales y los bi direccionales En los motores unidireccionales la salida del aceite est conectada al retorno del sistema (tanque). En los bi direccionales existe la posibilidad de enviar aceite por cualquiera de las conexiones, con lo cul se logra que el motor gire en una direccin o en otra segn la entrada del aceite, en estos ltimos se requiere tener un dreno eterno que permita enviar las fugas de aceite al tan-que y evitar as daos al motor.
El tamao de los motores se establece por su "desplazamiento". El desplazamiento es la canti-dad o volumen de aceite que requiere un motor para girar una vez. Es decir, la capacidad de cada cmara del motor multiplicada por el numero de cmaras.
Los fabricantes tambin clasifican los motores de acuerdo con al "porcentaje de torsin". Este se define como el torque en Ib-in que da el motor por cada 100 PSI de presin en el aceite con este parmetro, se puede encontrar fcilmente el torque que proporcionar un motor a una presin determinada. multiplicndolo por la presin de trabajo y dividiendo por 100.
Para averiguar el caudal necesario para que un determinado motor gire a la velocidad necesa-ria, se multiplica la velocidad por el desplazamiento. Si la velocidad esta en RPM y el despla-zamiento en in3/revolucin, el caudal ser:
Tambin se puede hallar el torque teniendo el desplazamiento con la siguiente formula:
En cuanto a la conformacin fsica, existen tres tipos bsicos de motores:
De engranajes De paletas De pistones
TORQUE DE SALIDA= 100
PORCENTAJE DE TORSION x PRESION (psi)
VELOCIDAD ANGULAR (RPM) x DESPLAZAMIENTO (
231 (
Q (GPM) =
) in3333
gal
in3333
Rev )
PRESION (psi) x DESPLAZAMIENTO(
2 p ( TORQUE (Lb-in) =
) Rad
Rev
in3333
Rev )
35353535
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MOTORES DE ENGRANAJES
Normalmente constan de engranajes que trabajan juntos dentro de una cavidad sellada del motor. La presin del aceite acta sobre las superficies de los dientes de uno de los engrana-jes generando as un torque en el eje de salida, que es el eje de los mismos engranajes.
En la figura 26 se muestra en el corte transversal de uno de estos motores y la forma como acta el aceite
Figura 26. Corte de un motor de engranajes
El desplazamiento de este motor es igual a la cantidad de aceite que cabe entre dos dientes de un engranaje multiplicado por el nmero de dientes de los dos engranajes.
Figura 27. Motor hidrulico de piones
ENTRADA
SALIDA
LA PRESION EMPUJA ESTOS DOS DIENTES Y P R O D U C E U N A FUERZA CON UN BRAZO DE PALANCA IGUAL AL RADIO MEDIO DEL PION.
EL ACEITE ES TRANSPORTADO E N E S T A S CAVIDADES DESDE L A E N TRADA HASTA LA SALIDA
Tapa frontal hecha de aleaciones de aluminio
Anillo O
Conjunto diseado para mantener alta eficiencia y compensar el desgaste
Pin auxiliar
Pin motriz
Seccin central de aluminio de alta resistencia
Hecho de bronce de alta resistencia
Sello O
Tapa trasera hecha de aleaciones de aluminio
Sello del eje
36363636
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Tambin hay motores de engranajes internos, en los cuales se tiene uno de los engranajes ro-tando 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 lbulos que gira dentro de un estator que tiene siete dientes o lbulos internos. Entre los dos quedan espacios o cmaras dentro de los cuales va el aceite y por diferencias en las reas en las que acta la presin .
La figura 28 muestra a la izquierda un motor en corte donde se aprecian todas las partes inter-nas. A la derecha en la misma figura, se ve un motor montado en su rea de trabajo con las conexiones hidrulicas. En la parte inferior se muestran caractersticas tpicas de estos moto-res
En la figura 28A, parte superior izquierda se aprecian las cmaras de presin, el rotor y el es-tator, 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 rotacin del eje se lo-gran 6 orbitas, lo cual conduce a que cada cmara esta sometida a presin y retorno 6 veces en cada vuelta, actuando como un reductor de velocidad planetario, es decir logrando el efecto de una reduccin de velocidad de 6 a 1 y una multiplicacin del torque 6 veces.
Figura 28. Motor G rotor, vista y caractersticas.
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 con-
37373737
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mutador. El bloque tiene 7 agujeros correspondientes a 7 cmaras, lo mismo que el conmuta-dor. Este ultimo, esta expuesto a una de las entradas de presin en su exterior y a la otra en su interior, lo cual hace que al orbitar sobre el bloque, queden expuestas siempre 3 cmaras a un puerto, otras 3 al otro y una queda cerrada en transicin.
Figura 28A. Como funciona el motor ge rotor.
Cmara neutral (1)
Cmaras en Baja Presin (retorno)
Cmaras en Alta Presin
Eje de Salida
Bloque Alimentador
Conjunto Rotativo
Conmutador
Posicin 1 Posicin 3
Posicin 2 Posicin 4
eje eje
eje eje
Rotacin de la Presin
Rotacin de la Presin
Rotacin de la Presin
Rotacin de la Presin
38383838
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MOTORES DE PALETAS
Un motor de paletas est compuesto por un rotor que tiene una serie de orificios radiales de-ntro de los cuales se mueven unas paletas que a su vez se desplazan por una pista que tiene una forma parecida a una elipse, con la cual se logra que las paletas salgan y entren dentro del orificio del rotor, . La presin acta sobre el rea de la paleta que esta fuera del rotor, ge-nerando una fuerza que a su vez se convierte en un torque en el eje del rotor que es el mismo del motor como se puede ver en la figura 29
Figura 29. Funcionamiento de un motor de paletas
En un motor de paletas el desplazamiento es el volumen que hay entre dos paletas multiplica-do por el nmero de paletas. Teniendo en cuenta el recorrido neto de la paleta al entrar y salir del rotor.
Cmara de Retorno
Cmara de Entrada de Presin
Rotor
Anillo
Paleta
Entrada
Retorno
39393939
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Figura 30. Motor de paletas
Este volumen se puede aumentar si se hace que las paletas salgan ms del orificio del rotor, es decir, si el agujero con forma elptica del anillo externo se hace mayor. Tambin se hace mayor el volumen si el rotor y, por tanto, las paletas y el anillo, se hacen ms anchos. Debido a esto con un mismo cuerpo o carcaza se puede tener motores de diferentes desplazamientos.
Figura 31 Resortes para mantener las paletas salidas
Plato de presin
Paleta
Rotor
Tapa Trasera
Anillo
Cuerpo Frontal
Eje de Salida
Chaveta
Anillo Retenedor Rodamiento
Sello del Eje
Brazo de Pivote
Rodamiento
40404040
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Existen diferentes formas de lograr que las paletas se mantengan rozando con la pista. La ms sencilla es usando resortes que empujan las paletas como se ve en la figura 31. Tambin se puede usar la misma presin del aceite para empujarlas como se ve en la figura 32. En los motores de alta eficiencia se usan las dos opciones.
Figura 32. Motores de paletas con presin piloto
Figura 33. Motor de paletas de alto torque
Arandela Ondulada
Conjunto Rotativo
Asiento Asiento
Vlvula Selectora
Cuerpo
Tapa
Rotor Hueco
Esquinas cuadradas
41414141
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MOTORES DE PISTONES
Existen dos tipos de motores de pistones, los axiales y los radiales.
Los motores de pistones axiales constan de un tambor con una serie de orificios dentro de los cuales se mueven entrando y saliendo, los pistones a medida que el tambor va rotando. En la figura 34 se muestra como es y como funciona este tipo de motor
Figura 34. Motor de pistones axiales. Vista externa
Figura 35. Motor de pistones axiales.
Funcionamiento. El tambor por su parte frontal, gira rozando una tapa que es la que tiene los orificios de entra-da y de salida del motor y que estn separados entre s por un sello que hace el tambor contra la tapa. Al haber presin de aceite en la entrada, los pistones que estn comunicados con esta son empujados hacia dentro. Los pistones que estn comunicados con el orificio de salida, van movindose hacia fuera y expulsando el aceite que llevan.
Ranura de Plato de distribucin
Agujero del bloque de pistones
Puerto de Entrada
Puerto de Salida
Grupo de Pistones
Plato de Deslizamiento
Eje de Salida
42424242
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Figura 36. Motor de pistones axiales. Vista lateral
Figura 37. Variacin del desplazamiento en un motor de pistones axiales
As que el desplazamiento de un motor de pistones axiales ser igual al rea de cada pistn multiplicada por el nmero de pistones y por el recorrido que hacen dentro del tambor.
Los pistones van apoyados en una pista que esta inclinada con respecto al plano de la tapa sobre la que gira el rotor. Si se vara la inclinacin de la pista entonces vara tambin el des-plazamiento. El torque y la velocidad dependen tanto de esta inclinacin y del rea de los pis-tones. En la figura 27 se muestra este efecto.
Debido a esta caracterstica los motores de pistones axiales se pueden hacer compensados. El compensador es una vlvula de control de presin que se utiliza para cambiar la inclinacin de la pista, es decir, el desplazamiento del motor cuando se presentan cambios en la carga de trabajo. Fsicamente el compensador consta de un pistn que est sujeto a la tensin de un re-sorte por un lado, y a la presin del aceite por el otro. A su vez la presin tambin est ac-tuando sobre otro pistn como se ve en la figura 37A que empuja la horquilla sobre la que va la pista aumentando la inclinacin de la misma. Cuando la tensin sobrepasa el taraje del compensador, el primer pistn es empujado y algo de aceite logra salir hacia la carcaza del motor que est comunicada al tanque a travs del dreno, limitando as la presin. Con el com-pensador se logra ajustar el desplazamiento del motor de manera que ste proporcione el
Angulo parcial del plato (Parcial desplazamiento)
Angulo Mximo del plato (Mximo desplazamiento)
Angulo cero del plato (Mnimo desplazamiento)
43434343
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mximo de rendimiento bajo todas las condiciones de carga, ya que cuando sta aumenta la presin sube haciendo que el desplazamiento sea mayor y por lo tanto el torque tambin au-mente.
Figura 37A. Variacin de desplazamiento.
En el motor de pistones radiales. Estos estn ubicados perpendicularmente con respecto al eje del motor. La presin sobre cada uno independiente, empujndolos hacia el centro el cual est desfasado con respecto al centro del eje y por lo tanto hace que se genere un torque en el mismo. Son motores normalmente de alto desplazamiento. Esto implica que el torque de salida es grande y la velocidad es relativamente baja, por lo cual se conocen como motores de alto torque y baja velocidad o motores HTLS (high torque low speed), por las iniciales en in-gles, igual que los de ge rotor, siendo estos de menor tamao. En la figura 38 se les y un corte del mismo
Figura 38. Motor de pistones radiales
Pistn que varia el desplazamiento
44444444
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Preguntas
1 Qu factores limitan la longitud del vstago?
2 Por qu se utilizan tubos de parada?
3 El fabricante de un cilindro de 4 pulgadas de dimetro recomienda que la presin interna no exceda 2500 PSI. Cul es la fuerza mxima que puede hacer el cilindro?
4 Se necesita un cilindro capaz de levantar 7 toneladas en el mnimo de tiempo sin que la pre-sin del sistema sea mayor que 2500 PSI. Qu dimetro recomienda usted para el pistn?
5 Cmo se establece el tamao de los motores hidrulicos?
Ejercicios
1.Se tiene una bomba de 4 GPM. El fabricante de la bomba recomienda que la presin a la sa-lida sea menor de 3000 PSI. La bomba se conecta a un actuador que debe levantar una carga de 35 toneladas. Cul es el dimetro del pistn con el que se logra levantar la carga en el mnimo tiempo?
2 Un actuador de doble efecto tiene un pistn de 5 pulgadas de dimetro y un vstago de 2.5 pulgadas de dimetro. El vstago sale 12 pulgadas en 30 segundos.
a)Cunto demorar en entrar? b)Qu caudal suministra la bomba?
3 Un sistema hidrulico en el que la presin no debe sobrepasar los 3000 PSI se disea para levantar un peso de 3.5 toneladas. Se utilizar un montaje de flanche posterior. Sabiendo que el dimetro del vstago es la mitad del dimetro del pistn estime la longitud mxima del vstago que puede utilizarse.
4 El motor hidrulico de un winche puede llegar a necesitar hasta 60 lbf-ft. Cul debe ser su desplazamiento (en in3/Rev.) si la presin no debe exceder los 1500 PSI?
5 Un motor hidrulico es utilizado para mover una banda sin fin. El motor debe lograr un torque de 500 NM y girar a 100 RPM. La presin del sistema es de 1750 PSI.
a) Calcule el desplazamiento necesario. b)Qu caudal necesita el motor?
45454545
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IMPULSORES
Dentro de un sistema hidrulico, los impulsores son los elementos encargados de suministrar el aceite segn los requerimientos.
El ms importante de estos es la bomba hidrulica, que se requiere en todos los sistemas.
Tambin se puede obtener aceite a presin guardndolo en un acumulador y tomndolo en el momento preciso en el que debe hacer un caudal extra en el sistema. El acumulador tambin sirve para amortiguar golpes cuando hay cambios muy bruscos de presin o para mantener una presin constante en la lnea.
Otro elemento impulsor es el multiplicador de presin, que sirve para cambiar caudal de pre-sin, ya que por diferencia de reas un actuador doble, multiplica (como su nombre lo indica) la presin pero disminuye la cantidad de aceite desplazado.
Los smbolos con que se representan estos elementos son:
BOMBAS
De desplazamiento fijo
De desplazamiento variable
ACUMULADORES
De resorte cargado
Cargado de gas
MULTIPLICADORES DE PRESION
46464646
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BOMBAS
La bomba es el transductor de entrada del sistema hidrulico Convierte la energa mecnica en hidrulica empujando el aceite dentro del sistema.
Se distinguen dos tipos bsicos de bombas
-Hidrodinmicas -Hidrostticas
Las hidrodinmicas o de desplazamiento no positivo, tales como el diseo de turbina o centri-fugas, se usan principalmente para transferir fluidos en donde la nica resistencia encontrada es la creada por peso y friccin del mismo fluido En ellas no existe una separacin fsica entre la entrada y la salida, no hay sello positivo entre los dos orificios y la capacidad de presin es a causa del impulsor de velocidad.
Las bombas hidrostticas o de desplazamiento positivo tienen un sello o que separa la entra-da de la salida haciendo que sta sea totalmente independiente de la presin del fluido (excepto por las perdidas por fuga): Por esto, la cantidad de aceite que envan es constante en cada ciclo o revolucin y por ello se especifican por la cantidad de aceite que envan a una de-terminada velocidad.
BOMBAS DE ENGRANAJES
En la bomba de engranajes, el aceite es llevado de la entrada hacia la salida en el espacio que hay entre dos dientes de cada engranaje. Uno de los engranajes es impulsado por la fuente de entrada del sistema y ste a su vez mueve el otro engranaje. Los dos se hallan dentro de una cmara conformada por un "anillo" que forma parte de la carcaza de la bomba y dos platos laterales, llamados platos de presin. En la figura 39 se muestra el corte de una bomba de en-granajes
Figura 39. Bomba de engranajes.
SALIDA
ENTRADA
LA PRESION DE LA SALIDA GENERA U N A C A R G A RADIAL SOBRE LOS EJES COMO LO I N D I C AN L A S FLECHAS.
EL ACEITE ES TRANSPORTADO E N E S T A S CAVIDADES DESDE L A E N TRADA HASTA LA SALIDA
EL ACEITE ES FORZADO HACIA FUERA POR EL O R I F I C I O D E P R E S I O N CONFORME LOS DIENTES SE VAN ENCONTRANDO
UN VACIO SE VA GENERANDO EN LA MEDIDA QUE LOS D I E N T E S S E ALEJAN EN LA ENTRADA
47474747
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Tambin se encuentran bombas de engranajes de tipo lbulo, bombas de engranajes internos, es decir, un engranaje dentro de otro o bombas de ge rotor, aunque no son tan comunes. En la figura 40 y 41 se muestran estas bombas.
Figura 40. Bomba de lbulos
Figura 41. Bomba de engranajes internos.
SALIDA
ENTRADA
48484848
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Figura 42. Bomba de ge rotor.
Las bombas de engranaje en general, son las de menor costo y tienen muy buena capacidad para soportar impurezas en el aceite, sin embargo, con el desgaste aumentan mucho las fugas internas y se baja la eficiencia. Por otro lado, una bomba de engranajes con muchas cmaras de bombeo genera alta frecuencia, lo que produce mucho ruido.
BOMBAS DE PALETAS
Las bombas de paletas tambin se parecen mucho a los motores. Constan de un rotor ranurado que gira dentro de una cmara conformada por un anillo que sirve de pista para las paletas que van dentro de las ranuras del rotor, entrando y saliendo con el movimiento, y los platos de presin, en los cuales est el orificio de entrada en uno y de sali-da en el opuesto, tal como se muestra en la figura 43
Figura 43. Bomba de paletas sencilla y doble.
Salida Entrada
Engranaje interior Engranaje exterior
49494949
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Para hacer que a esta bomba se le pueda variar el caudal, se deben acercar los centros del rotor y del anillo, con el fin de disminuir el volu-men existente entre dos paletas disminuyendo el desplazamiento de la bomba. Adems, se puede tener una bomba "compensada por presin", es decir, que cuando se llegue a una presin predeterminada en el siste-ma, la bomba deje de enviar todo el caudal y enve slo el necesario pa-ra mantener dicha presin disminuyendo el consumo de potencia. Esto se logra aprovechando la fuerza que se genera en el anillo debida a la misma presin en el aceite, enfrentada a la fuerza de un resorte que se puede comprimir por medio de un tornillo de graduacin. Cuando la fuer-za del anillo es mayor que la tarada en el resorte, ste se desplazar y la cmara de bombeo disminuir.
La presin en las paletas produce una fuerza radial en el eje de la bomba. Esta fuerza se pue-de evitar si se coloca otra paleta en el lado opuesto del rotor soportando la misma presin de la primera.
Este sistema se utiliz para el diseo de las bombas de paletas "balanceadas", que se mues-tran en la figura 3.7. En ellas, el anillo tiene un orificio interno con una forma elptica en lugar de circular, igual a la que se vio en los motores de paletas, y en lugar de tener un orificio en cada plato de presin para la entrada y salida del aceite tiene dos que estn ubicados a 180 grados el uno del otro, logrando en medio giro succionar y expulsar el aceite.
Figura 43. Bombas de paletas "Balanceada"
En la figura 44 se muestra un dibujo en corte de la parte posterior de la misma bomba.
Tapa de Entrada Agujero pasante succin
Anillo Plato soporte - entrada
Paleta Paleta - inserto
Rotor Sellos
Platos flexibles
Sello cuadrado Tapa de salida
Plato soporte salida Rodamiento eje
Sello
Eje
Salida
Entrada
Paleta
Rotor
50505050
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Figura 44. Bomba de paletas. El plato de presin hace sello contra el rotor.
Igual que en los motores, el tamao de las bombas de paletas se puede aumentar haciendo ms amplio el orificio del anillo o haciendo ms anchos el anillo, rotor y paletas (estos tres ele-mentos se conocen como el conjunto rotativo de la bomba de paletas).
A diferencia de los motores, en las bombas las paletas se mantienen contra la pista por la fuerza centrifuga y no por los resortes, aunque se usa la presin del aceite en algunas bombas de alto rendimiento, para aumentar esta fuerza. En la figura 45 se muestra una bomba de pale-tas de alta eficiencia y en la figura 46 la forma como trabaja el sistema de presin en las pale-tas para mejorar la eficiencia de la bomba. Se usa una "doble paleta" para que la fuerza sobre el anillo no sea mayor de la que realmente se necesita.
Figura 45. Corte de una bomba de alta eficiencia.
Descarga
Anillo
Presin del sistema
Efectiva aqu
Paleta
Rotor
Eje
Resorte
Presin en Cartucho Plato de Presin
Tapa Trasera
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Figura 46. Detalle de funcionamiento de una bomba de alta eficiencia.
Tanto en las bombas de engranajes como en las de paletas, existe la posibilidad de tener una bomba con varias salidas y entradas de aceite.
En algunos casos se logra uniendo entre s varias bombas que tienen ejes que las atraviesan de un lado a otro, Pero son ms comunes las bombas que tienen un solo cuerpo y que cons-tan de dos o ms salidas o entradas de aceite. Las que ms se usan son las bombas dobles,
Presin de salida
Presin de salida o de entrada
Rotacin
Inserto
Salida
Eje Entrada
Salida
Paleta
Rotor
Anillo Entrada
Salida
Entrada
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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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Se usan mucho las bombas dobles para tener un caudal grande a baja presin y uno pequeo a alta presin, con el fin de poder tener en aquellos sistemas en los que hay un recorrido del cilindro en el que no efecta ningn trabajo, sino que se aproxima a la pieza sobre la que va a trabajar, una gran velocidad inicial y al final una gran fuerza, pero con un consumo de potencia bajo. En ste caso se determina la potencia necesaria para tener la presin de trabajo con el caudal bajo, y luego se encuentra la mxima presin que puede lograr con los dos caudales (el bajo y el alto) y la potencia hallada. Para lograr ste funcionamiento, que se conoce como sis-tema de "alta y baja", se usan unos controles de presin especficos, que se vern en detalle en el prximo capitulo.
Comparadas de las bombas de engranajes, las de paletas son un poco ms costosas, pero producen menos ruido y no disminuyen tanto su eficiencia con el desgaste, ya que las paletas pueden salirse ms de su orificio en el rotor.
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BOMBAS DE PISTONES
Al igual que los motores existen dos tipos bsicos de bombas de pistones, las de pistones axia-les y las radiales.
Las de pistones axiales constan tambin de un tambor dentro del cual se mueven los pistones (generalmente nueve) y que est en contacto con la tapa de presin que tiene las conexiones de entrada y salida. Por el lado opuesto los pistones se apoyan en una pista que tiene determi-nada inclinacin con respecto a la tapa de presin. En la figura 49 se muestra el conjunto del tambor, los pistones, la placa de presin y la pista colocada sobre el plato inclinado.
Figura 49. Bomba de pistones
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Con el movimiento unos pistones al retraerse van succionando mientras los otros expulsan el aceite a travs de los orificios de la placa de presin.
En la figura 50 estn los cortes de una bomba de pistones axiales y se pueden observar todas sus piezas. Como se ve el plato inclinado tiene una posicin fija, pero se puede conseguir cam-biar esta inclinacin, para lograr una variacin en el desplazamiento de la bomba.
Figura 50. Bomba de pistones axiales
Al variar el desplazamiento, el caudal de la bomba cambia (Figura 51). Este se pude hacer ma-nualmente con un dispositivo que est conectado al plato de inclinacin. Ya sea una palanca o una rueda o se puede hacer con un actuador hidrulico manejado con un regulador de presin, como en el caso de los motores compensados, solo en este caso, cuando la presin llega al va-lor tarado en el regulador, el plato se coloca en posicin casi vertical, haciendo que la bomba disminuya el caudal y enve slo el necesario para mantener la presin, con el objeto de bajar el consumo de potencia mientras se sostiene la presin.
Este tipo de bomba es muy usado en algunos sistemas en lo que se requiere el sostenimiento de la presin, durante perodos largos del ciclo, o en sistemas en los que se requiere diferentes
Descarga
Succin
Bloque de conexin
Bloque de pistones
Eje
Plato de las zapatas de los pistones
Pistn
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caudales en diferentes momentos del ciclo, ya que la bomba se compensa y no enva sino el caudal requerido segn la presin.
Figura 51. Al variar la inclinacin vara el desplazamiento.
En la figura 52 se muestra el funcionamiento de este sistema, conocido como compensador de presin. Existe una comunicacin desde la conexin de salida de la bomba, es decir, la lnea de presin hasta la entrada del regulador o compensador de presin, en el que hay un pistn que est siendo empujado por un resorte al que se puede aumentar o disminuir la compresin. Cuando la presin actuando sobre el pistn, vence la fuerza que le hace el resorte, se abre un paso hacia un pequeo actuador que empuja el plato de inclinacin que esta montado sobre una horquilla y que se mantiene inclinada por la accin de otro resorte dentro de la carcasa. Si la presin se baja entonces la horquilla tiende a volver a su inclinacin original y el caudal vuel-ve a aumentar.
La bomba de pistones no es tan comn. En ella los pistones estn colocados perpendicular-mente con respecto al eje, que tiene una leva para poder hacer mover los pistones dentro de cada cmara.
La bomba de pistones son las ms costosas y las ms eficientes de las bombas, ya que los se-llos son mucho mejores que en las dems. Tambin son las ms delicadas con respecto a la contaminacin y las impurezas del aceite, debido a las tolerancias tan pequeas que hay entre sus elementos. Por su alta eficiencia, son las que ms se usan cuando se requiere presiones mayores de 3000 o 3500 PSI.
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Figura 52A. Compensador de presin, funcionamiento.
Compensador
Servo pistn
Conexiones de los puertos
Tapa trasera
Conjunto rotativo
Pivote del plato oscilante Carcaza
Eje Motriz
Rodamiento
Sello del eje
Plato oscilante
Resorte de la horquilla
Horquilla
Compensador de Presin Carrete del compensador
Pistn servo
Presin de la bomba
Plato oscilante
Retorno a tanque
Succin
Bomba compensada Bomba sin compensar
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Figura 52B. Bomba de pistones compensada, vista en corte, exterior e interior.
Eje
Rodamientos
Bloque de pistones
Plato de conexin
Tapa trasera
Pistn servo de compensador
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ACUMULADORES
Los acumuladores son los elementos en los cuales se almacena cierta cantidad de aceite a pre-sin, con el fin de utilizar esa energa acumulada posteriormente. Los principales usos de los acumuladores son:
Incrementar la velocidad de un actuador en una maquina.
Atenuar picos de presin
Para compensar las perdidas de presin debido a fugas de aceite.
Disminuir el tamao de la potencia instalada utilizando los tiempos muertos.
Para lograrlo, se aprovecha la compre-sibilidad de los gases, en este caso el nitrgeno (no se debe usar oxigeno, pues tiende a explotar al quedar en con-tacto con el aceite), el cual se tiene en una cmara que es comprimida por el aceite a presin. Al comprimirse disminuye su volumen, luego parte de este volumen se recupera disminuyendo la presin en el aceite hasta la presin de trabajo del sistema. As que se tienen tres presiones involucradas en este proceso. Una es la presin inicial a la que se encuentra el nitrgeno (llamada presin de precarga), la segunda es la presin a la que debe llegar el sistema para obtener el volumen deseado (presin mxima) y la tercera es la presin mnima requerida en el sistema para efectuar el trabajo deseado.
La cmara en la que se encuentra el nitrgeno puede estar separada de la cmara del aceite en el acumulador por un pistn, similar al de un cilindro hidrulico (Fig. 53A) o pueden quedar los dos en contacto (figura 54). Las ms comunes tienen una vejiga de caucho dentro de la cual esta el nitrgeno (figura 55) y (figura 55A).
Figura 53. Acumuladores hidrulicos.
Entrada de aceite Seguro Tapa Aceite Tubo Pistn Sello Gua
Vlvula de carga de N2
Cubierta de vlvula
Figura 53A. Acumuladores de pistn.
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Tambin se encuentran acumuladores que usan la fuerza de resortes o de pesos muertos en lugar del gas aunque son los menos comunes como se ve en la Fig. 54..
Otras funciones tiles de los acumuladores son como absorsores de vibraciones y de choques. Las primeras debidas a las pulsaciones de las bombas, que pueden ocasionar problemas en instrumentos sensibles o incluso daar lneas de tubera o vlvulas, o en instalaciones que utili-cen servo vlvulas para evitar que el valor de presin se mantenga siempre constante. Los choques se presentan por cambios muy bruscos de presin que pueden haber en cualquier sis-tema o por el cierre rpido del paso del aceite, generando una onda de presin debida a la rpi-
Figura 54. Acumulador sin separacin entre el nitrgeno y el aceite.
Figura 55. Acumulador de Diafragma
Tapa protectora. Para asegurar que no haya fuga de Nitrgeno
Cuerpo compacto. Fabricado de dos secciones hemisfricas de lamina de acero de alta resistencia soldadas entre si con el proceso Rayo de electrones.
Retenedor de Diafragma. Sistema de seguridad que mantiene el diafragma en la posicin adecuada para extender su duracin.
Tapn Anti-Extrusin. Esta moldeado en el diafragma para evitar que el diafragma se extruya entre la conexin de aceite.
Conexin hidrulica amplia. Asegura que la descarga del acumu-lador se puede hacer evacuando grandes caudales.
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da desaceleracin del aceite y que se queda vibrando en la lnea. El choque produce un gran ruido y crea un pico de presin que puede ser muchas veces mayor que la presin mxima del sistema.
La escogencia del tamao de los acumuladores se hace frecuentemente con curvas que sumi-nistran los fabricantes, en las cuales se tiene la variacin de volumen para diferentes presiones de precarga y de operacin.
Los acumuladores son elementos que relativamente son muy durables. Los mayores problemas se presentan cuando la presin de precarga de Nitrgeno se baja por fugas del gas hacia el sis-tema hidrulico o al ambiente, debido a fallas en los sellos del pistn en el caso de los acumula-dores de pistn y a la rotura de la membrana o vejiga en los otros.
Dependiendo del tipo de aplicacin, los efectos de la falta de precarga se pueden ver de la si-guiente forma:
Baja dramtica en la velocidad del actuador o de la maquina, aumento en la vibracin o inesta-bilizacin de la presin.
Vejiga de caucho
Cuerpo
Vlvula anti-extrusin
Vlvula de carga N2
Nitrgeno
Aceite
Figura 55A. Acumulador de Vejiga.
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MULTIPLICADORES DE PRESIN
El multiplicador de presin es una palanca hidrulica. El aceite de la bomba entra en una cma-ra como la de un cilindro, que est separada de otra cmara (figura 57) de la que va a salir el aceite hacia el actuador. El pistn de la primera cmara es de mayor dimetro que el de la se-gunda, por tanto, por diferencia de reas la presin en la segunda cmara va ser mayor que en la primera en una proporcin igual a la relacin entre las dos reas.
La cantidad de aceite que va a salir (caudal) en cambio va disminuir en la misma proporcin.
Por ser bsicamente fabricados de la combinacin de dos cilindros hidrulicos, tienen algunas limitaciones en cuanto a la cantidad de aceite que van a manejar debido al dimetro y carrera de los cilindros. Se debe tener en cuenta que el volumen desplazado por el pistn de salida de-be ser mayor que el del actuador de la maquina.
Figura 57 Multiplicador o intensificador de presin de simple y doble efecto.
Figura 57A. Intensificador comercial.
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Preguntas
1porqu en los accionamientos hidrulicos se emplean bombas de desplazamiento positivo y no de otro tipo?
2 A 1200 RPM una bomba 8 GPM. cul ser el caudal suministrado a:
-1500 RPM -1800 RPM
3 Describa el funcionamiento de una bomba de pistones compensada por presin.
4 Compara las bombas de engranajes, las de paletas y las de pistones. Cundo escogera bombas de un tipo y cuando no?
5 Explique tres motivos por los cuales empleara acumuladores en un sistema hidrulico.
Ejercicios
1.Una inyectora tiene una presin mxima de cierre de 100 toneladas y realiza una carrera de 200 Mm. en 0.8 segundos. Entre el dimetro del pistn, el caudal y la potencia necesarios, si la presin del sistema no debe sobrepasar los 3000 PSI.
2 Una prensa de embutido debe ser capaz de ejercer una fuerza equivalente a 550 toneladas movindose a una velocidad de 10 Mm./s. la presin del sistema debe estar alrededor de 4000 PSI,
a) Encuentre el dimetro del pistn, la presin del sistema y el caudal necesario. b)Que tipo de bomba empleara?
3 Algunas perforadoras necesitan al final del recorrido una pequea cantidad de aceite a una presin varias veces mayor. Para ello puede emplearse un multiplicador de presin. Se tiene una perforadora con un pistn de 8 in de dimetro una bomba de 12 GPM y un multiplicador de presin con una relacin de reas de 5.1 si desea que la presin en las lneas de transmisin no supere los 300 PSI Calcule a) fuerza mxima y velocidad de avance normal del sistema. b) fuerza mxima y velocidad de avance del sistema utilizando el multiplicador de presin.
4 Para una operacin de doblado se necesita una prensa de 50 Mp (megaponds) con una velo-cidad de 60 Mm./s. El recorrido debe poderse ajustar hasta 500 mm. Si la presin no debe ex-ceder de 200 bar. Calcule el dimetro del pistn, el tamao de bomba requerido y la potencia requerida por el sistema.
5 Una prensa tiene las siguientes caractersticas Fuerza nominal 150 toneladas Dimetro del pistn 12 in Potencia mxima consumida por el motor elctrico: 16 KW Presin mxima del sistema: 3000 PSI
Estime el caudal de la bomba y la velocidad del trabajo
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VALVULAS
En un sistema de transmisin de potencia hidrulico, el medio usado es tericamente incom-prensible, en estas conferencias se ha hablado de aceite hidrulico. As que para obtener la sa-lida deseada en el sistema se hace necesario controlar el sentido, el caudal y la presin de acei-te. Para lograr esto, se deben usar diferentes elementos diseados para elaborar distintas fun-ciones. Controlando el sentido del aceite con controles o vlvulas direccionales, se puede hacer que un actuador se mueva en una direccin o en otra. Controlando el caudal se regula la veloci-dad con la que se va a mover un actuador y controlando la presin, se puede ajustar la fuerza o el torque mximo que se va a efectuar en este actuador
VALVULAS CHECK
SENCILLOS
PILOTADOS
VALVULAS DIRECCIONALES
DOS, TRES Y CUATRO VIAS
DOS Y TRES POSICIONES
CONTROLES DE PRESION
VALVULAS DE ALIVIO
VALVULAS DE SECUENCIA
VALVULAS REDUCTORAS DE PRESION
CONTROLES DE CAUDAL VARIABLES
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VALVULAS CHECK O DE RETENCION
Las vlvulas ms sencillas son las de una va y dos posiciones. La va de aceite es entre una entrada de presin "P" y la salida "A". En una posicin no hay paso de aceite y en la otra posi-cin si hay paso. Esta se conoce como vlvula de retencin o vlvula check, ya que debido a que se acciona con la presin del aceite, da paso a una direccin pero no permite paso en la di-reccin opuesta y su representacin esquemtica se simplifica con el dibujo que se muestra en la parte izquierda de la figura 58 Esta representacin tiene la ventaja que indica que hay sello entre la salida y entrada de aceite, es decir, que no se van a representar fugas de aceite cuando la vlvula est cerrada.
Fsicamente se pueden encontrar vlvulas de reten