FACTOR DE MULTIPLICACIN

Neumtica - Introduccin a los Sistemas Hidrulicos(Ingeniera Industrial)1. Factor de Multiplicacin2. El flujo de fluido en tuberas3. Tuberas en Aire Comprimido4. Caeras de Servicio.5. Cada de Presin en tuberas6. Cadas de presin en vlvulas.7. Cada de presin en el circuito de una prensa hidrulica.8. Tanques y Depsitos.9. Filtros10. Bibliografa y Sitios WEB de inters para Ingenieros IndustrialesFactor de Multiplicacin

En la figura 1-12 vemos un mtodo de multiplicar la fuerza en un sistema hidrulico. Una fuerza de 70Kg. es aplicada sobre el pistn A. Mediante el calculo que hemos descrito, se origina una presin disponible de 7 Kg/cm.

Esta presin acta sobre la superficie del pistn B de 20 cm2. produciendo una fuerza de empuje de 140 Kg.

Es decir que la fuerza aplicada sobre el pistn A es multiplicada en la misma relacin, que la existente entre las reas de los dos pistones.

Este principio, de multiplicacin de fuerza es empleado en el freno de los automviles y en las prensas hidrulicas.

Refirindonos nuevamente a la Fig. 1-12 vemos que la multiplicacin de fuerzas se hace a expensas de sacrificar la carrera del cilindro B. El pistn A se mueve una distancia de 10 cm desplazando 100 cm (10 x l0).

Esta cantidad de aceite mueve el pistn B solo 5 cm..

La velocidad de la carrera se ha sacrificado. El pistn B se mueve 5 cm. en el mismo tiempo que el pistn A recorre 10 cm.

En la figura 1-13 vemos una analoga mecnica al sistema hidrulico descrito. El producto de las fuerzas por las distancias debe ser igual en ambos sistemas de acuerdo a las leyes de la mecnica. En el extremo izquierdo 70 x 0,10 = 0,700 Kgm., en el extremo derecho 140 x 0,5 = 0,700 Kgm.

EL FLUJO DE FLUIDO EN TUBERASLa situacin ideal del flujo en una tubera se establece cuando las capas de fluido se mueven en forma paralela una a la otra. Esto se denomina "flujo laminar" figura 1-14. las capas de fluido prximas a las paredes internas de la tubera se mueven lentamente, mientras que las cercanas al centro lo hacen rpidamente. Es necesario dimensionar las tuberas de acuerdo al caudal que circular por ellas, una tubera de dimetro reducido provocar elevadas velocidades de circulacin y como consecuencia perdidas elevadas por friccin; una tubera de gran dimetro resultar costosa y difcil de instalar.

Por lo expuesto recomendamos el uso del grfico nro. 1 para la eleccin de los dimetros adecuados en instalaciones hidrulicas.

En la figura 1-15 vemos una situacin de flujo turbulento donde las partculas de fluido se mueven en forma desordenada con respecto a la direccin del flujo. La turbulencia es causada por el exceso de velocidad de circulacin, por cambios bruscos del dimetro de la tubera, y por la rugosidad interna de la misma la turbulencia produce excesiva perdida de presin en los sistemas y sobrecalentamiento del aceite. A menudo puede ser detectada por el ruido que produce la circulacin por las tuberas. Para prevenir la turbulencia , las tuberas deben ser de dimetro adecuado, no tener cambios bruscos de dimetro u orificios restrictotes de bordes filosos que produzcan cambios de velocidad.

En la figura 1-16 vemos una seccin de tubera con flujo laminar , las partculas se mueven a alta velocidad en el centro pero paralelas una a la otra. La restriccin se ha realizado de manera tal que presenta una transicin lenta de velocidades, de esta forma se evita la turbulencia.

Las dos figuras 1-17A y 1-18B muestran qu sucede con la corriente fluida cuando toma una curva de radio amplio se mantienen las condiciones de flujo laminar, a la derecha el cambio de direccin es abrupto induciendo un flujo turbulento.Tuberas en Aire Comprimido:Para el transporte del aire comprimido se reconocen tres tipos de canalizaciones

Caera principal.

Caera secundaria.

Caeras de servicio.

Se denomina caera principal a aquella que saliendo del tanque de la estacin compresora conduce la totalidad del caudal de aire. Debe tener una seccin generosa considerando futuras ampliaciones de la misma. En ella no debe superarse la velocidad de 8 m/segundo.

Caeras secundarias son la que tomando el aire de la principal se ramifican cubriendo reas de trabajo y alimentan a las caeras de servicio tal como apreciamos en la figura 1-19.

Caeras de Servicio.Estas caeras o "bajadas" constituyen las alimentaciones a los equipos y dispositivos y herramientas neumticas, en sus extremos se disponen acoplamientos rpidos y equipos de proteccin integrados por filtros, vlvula reguladora de presin y lubricador neumtico. Su dimensin debe realizarse de forma tal que en ellas no se supere la velocidad de 15 m/segundo.

Caeras de Interconexin:El dimensionado de estas tuberas no siempre se tiene en cuenta y esto ocasiona serios inconvenientes en los equipos, dispositivos y herramientas neumticas alimentados por estas lneas. Teniendo en cuenta que estos tramos de tubera son cortos podemos dimensionarlos para velocidades de circulacin mayores del orden de los 20 m/seg.

Cada de Presin en tuberas:Es importante recordar que la perdida de presin en tuberas "solo" se produce cuando el fluido esta en "movimiento" es decir cuando hay circulacin. Cuando esta cesa, caso de la figura 1-23 las cadas de presin desaparecen y los tres manmetros darn idntico valor.

Si al mismo circuito de la figura anterior le retiramos el tapn del extremo aparecern perdidas de presin por circulacin que podemos leer en los manmetros de la Fig.1-24. Cuando mas larga sea la tubera y mas severas las restricciones mayores sern las perdidas de presin.

Si quitamos las restricciones una gran proporcin de la perdida de presin desaparece. En un sistema bien dimensionado, la perdida de presin natural a travs de la tubera y vlvulas ser realmente pequea como lo indican los manmetros de la Fig.1-25.

Cadas de presin en vlvulas.Las vlvulas presentan perdidas de presin localizadas, por ello deben ser correctamente dimensionadas. Una vlvula subdimensionada provocar perdidas de potencia y velocidad, una sobre dimensionada ser econmicamente cara.

Las recomendaciones precisas figuran en los catlogos de los fabricantes, pero para establecer una norma general diremos:

Vlvulas Hidrulicas: Una velocidad de 4 m/seg. es considerada estndar para aplicaciones generales. Por ello el tamao de la vlvula puede ser el mismo que el dimetro de caera de la tabla para lneas de presin.

En condiciones especiales pueden utilizarse tamaos mayores o menores.

Vlvulas Neumticas.Una regla similar puede utilizarse aqu. El tamao de los orificios de conexin de los cilindros neumticos es una gua razonable para el tamao de la vlvula. Como excepcin se presentan los siguientes casos:

Cuando una vlvula comanda varios cilindros.

Cuando se requieren altas velocidades de operacin en un cilindro.

Cuando el cilindro operara siempre a bajas velocidades

Prdida de Presin en un Circuito Automtico.No todas las cadas de presin son malas. En la figura siguiente hay un diagrama que ilustra una tcnica importante utilizada en la automacin de circuitos, y aplicada en neumtica e hidrulica. Cuando el cilindro de la Fig.1-26 llega a su posicin de trabajo, una seal elctrica es obtenida para poner en funcionamiento la prxima operacin en un ciclo automtico.

Nuestra descripcin comienza con plena presin disponible en la bomba o compresor, pero con la vlvula de control cerrada, de manera que el cilindro se encuentra retrado El primer manmetro indica 100 PSI (7Kg/cm2). Las dos restantes indican 0. El presostato est ajustado a 80 PSI.

Con la vlvula abierta, el fluido se dirige al cilindro. La restriccin representa la prdida de carga de una tubera.

Cuando el fluido comienza a circular, una perdida de presin es generada, y esta ilustrada por la lectura de los sucesivos manmetros. El cilindro se desplaza libremente, requiriendo solamente 20PSI para moverse ; el remanente de presin disponible es consumido a lo largo de la lnea. El presostato ajustado a 80 PSI no se conmuta mientras el cilindro hace su carrera libre.

Cuando el cilindro llega al final de su carrera o a un tope positivo el movimiento de fluido cesa y en la cmara del cilindro (y en el presostato) la presin alcanza su valor mximo 100 PSI. Una seal elctrica procedente del presostato comandar la siguiente funcin de un ciclo automtico.

CADA DE PRESIN EN EL CIRCUITO DE UNA PRENSA HIDRULICA.Las figuras 1-28 y 1-29 vemos dos diagramas de bloques que muestran dos estados de un mismo ciclo de trabajo de una prensa.

Se pueden efectuar grandes economas, cuando las necesidades de mxima fuerza a desarrollar por la prensa, son necesarias nicamente en condiciones estticas, o a travs de muy cortas carreras.

Las vlvulas y tuberas se subdimensionan a propsito por razones econmicas, pero en la operacin de la prensa esto no tiene efectos perjudiciales. Esto es cierto ya que se basa en el principio ya visto de que no hay cadas de presin cuando no existe circulacin. He aqu como opera:

El cilindro recibe fluido hidrulico desde la bomba y se mueve libremente. La restriccin en la lnea representa la resistencia a la circulacin a travs de vlvulas y tuberas subdimensionadas. Esta restriccin no reduce el volumen de aceite procedente de la bomba hidrulica de desplazamiento positivo, tal como veremos al estudiar estos elementos.

La restriccin en cambio consume una buena proporcin de la presin que es capaz de desarrollar la bomba, pero esto no tiene importancia por que solamente una muy pequea presin es necesaria para mover el cilindro en su carrera libre.

En este diagrama el cilindro llega a su posicin de trabajo. Cuando el cilindro se detiene cesa la circulacin de fluido a travs de las vlvulas y tubera y la cada de presin desaparece del sistema. Toda la fuerza de empuje es obtenida entonces a pesar de lo pequeo de las vlvulas y tuberas. Estas figuras son diagramas en bloque en la realidad cuando el cilindro se detiene, todo el caudal de la bomba es descargado a tanque a travs de una vlvula de alivio no mostrada en la figura 1-29.

El aire comprimido debe ser filtrado, lubricado, y a veces deshumidificado antes de su empleo en cilindros, vlvulas, motores y dispositivos de precisin similar.

Todos los compresores aspiran aire hmedo y sus filtros de aspiracin no pueden modificar esto ni eliminar totalmente las partculas salidas del aire atmosfrico.

Al aire comprimido conteniendo slidos, y vapor de agua, debe agregrsele el aceite de lubricacin del compresor, que atravesando los aros se incorpora a la salda. Si bien una parte de esta mezcla de agua y aceite de color blancuzco y caractersticas cidas, se deposita en el tanque, para luego ser drenada, una buena parte de ella se incorpora a las lneas de distribucin provocando serios daos en los con ponentes de los circuitos.

La unidad de la figura 2-1 denominada "Equipo de Proteccin'' esta constituida por un filtro, regulador con manmetro y lubricador.

El conjunto esta montado de tal forma que el filtro protege los elementos siguientes, siendo el ltimo elemento el lubricador de forma tal que la niebla de aceite que el produce no se precipite en el regulador. Cuando se instala un equipo de proteccin debe cuidarse la direccin de circulacin del aire ya que en forma inversa el conjunto no funciona correctamente.

El filtro llamado ciclnico tiene dos acciones: El aire al entrar pasa a travs de bafles que le confiere una circulacin rotativa, de esta forma las grandes partculas slidas y el lquido se deposita en las paredes del vaso por la accin centrfuga. Luego el aire atraviesa el elemento filtrante, de malla metlica, papel, o metal sinterizado. Este filtro de 20 o 40 micrones retiene las partculas slidas. (Fig. 2-1 b).

Esta accin de filtrado se denomina "mecnica" ya que, afecta nicamente a la contaminacin mecnica del aire, y no por ejemplo a su contenido de humedad.

El Regulador o Vlvula reductora y reguladora de presin es una necesidad de todo circuito neumtico, para establecer una presin segura para ciertos componentes o para fijar un valor exacto de empuje de un cilindro. En todo circuito es deseable el regulador para mantener constante la presin de trabajo independientemente de las variaciones que experimente la lnea de alimentacin.

El regulador tiene su vlvula de asiento abierta por la accin de un resorte que fue comprimido por el tornillo ajustable, en este estado hay circulacin desde la entrada hacia la salida, cuando la presin en la salida se va acercando al nivel establecido por la posicin del tornillo, el aire a travs del orificio piloto acta sobre el diafragma comprimiendo el resorte y cerrando el pasaje previniendo un incremento de la presin de salida. En la practica el regulador se autoajusta rpidamente para balancear las condiciones establecidas creando una prdida de carga en la vlvula de asiento que mantiene la presin de salida constante

La reguladora con "alivio" contiene una vlvula de retencin ubicada en el apoyo del vstago, de forma tal que cuando el operador ajusta el tornillo para valores de presin ms bajos, permite que el aire pase a la atmsfera hasta alcanzarse en la salida el valor deseado.

El regulador tiene un sentido de circulacin y por ello debe ser instalado respetando el mismo. Fig. 2-3

El lubricador es un elemento muy importante ya que los cilindros y vlvulas requieren ser lubricados para su correcto funcionamiento y larga vida til.

En la figura, el flujo de aire a travs de una ligera restriccin llamada '' Venturi '', provoca una pequea cada de presin usualmente 1PS1 entre la entrada y la salida.

Esta pequea presin es suficiente, para que aplicada sobre la superficie del aceite contenido en el vaso, provoque el ascenso del mismo hasta el cuello del tubo. El flujo de aire pulveriza en ese punto el aceite.

Ajustando la altura del tubo en la corriente de aire, se aumenta la superficie expuesta y se incrementa la alimentacin de aceite, Cuando cesa el flujo de aire la calda de presin a travs del Venturi desaparece el aceite y asciende por el tubo.

Los lubricadores no deben ser instalados a mas de 3 metros del equipo al cual deben lubricar.

En la figura 2-4 vemos un lubricador de gota, el aire a travs del Venturi crea una presin diferencial que acta sobre la superficie del aceite empujando el mismo hacia la vlvula de aguja. El rango de goteo puede ajustarse con la aguja y observarse en la mirilla. La corriente de aire atomiza el aceite y lo conduce a la lnea. Cuando el flujo cesa, la diferencial de presin desaparece de la superficie del aceite y cesa la subida.

En la figura 2-5, vemos un conjunto de proteccin o equipo combinado en corte donde podemos apreciar la circulacin a travs de sus componentes.

Tanques y Depsitos.La mayora de los sistemas hidrulicos de tamao pequeo a mediano utilizan los tanques o depsitos como base de montaje para la bomba, motor elctrico, vlvula de alivio, y a menudo otras vlvulas de control. Este conjunto se llama. "Unidad de bombeo", "Unidad Generada de Presin" etc.

La tapa del tanque puede ser removida para permitir la limpieza e inspeccin. Cuando esta no es la lateral y constituye la parte superior del tanque lleva soldadas cuplas para recibir la conexin de tuberas de retorno y drenaje. Se colocan guarniciones alrededor de las tuberas que pasan a travs de la tapa para eliminar la entrada de aire.

El tanque se completa con un indicador de nivel, un filtro de respiracin que impide la entrada de aire sucio.

La posicin de los bafles dentro del tanque es muy importante (ver fig.2-7). En primer lugar establecer la separacin entre la lnea de succin y la descarga de retorno.

En segundo lugar la capacidad de radiacin de temperatura del tanque puede ser incrementada si el bafle se coloca de forma tal que el aceite circule en contacto con las paredes externas como lo muestra la figura 2-7.

Para sistemas corrientes el tamao del tanque debe ser tal que el aceite permanezca en su interior de uno a tres minutos antes de recircular. Esto quiere decir que s el caudal de la bomba es de 60 litros por minuto, el tanque debe tener una capacidad de 60 a 180 litros. En muchas instalaciones, la disponibilidad de espacio fsico no permite el empleo de tanques de gran capacidad, especialmente en equipos mviles. Las transmisiones hidrostticas en lazo cerrado, constituyen una excepcin a la regla, ordinariamente emplean tanques relativamente pequeos.

Tener un tanque muy grande a veces puede ser una desventaja en sistemas que deben arrancar a menudo u operar en condiciones de bajas temperaturas.

Accesorios para tanques.

En la Fig.2-8 vemos un nivel visible para tanques, este elemento construido en plstico permite que el operador no solo verifique el nivel sino tambin la condicin de emulsin del aceite.

Tapa de llenado : el orificio de llenado debe ser cubierto por una tapa preferentemente retenida por una cadena. En la figura 2-9 ilustramos un tipo que usa una coladera para filtrar el aceite que se verter hacia el tanque.

Los depsitos hidrulicos estn venteados a la atmsfera. Por ello la conexin de venteo debe estar protegida por un filtro.

Cuando los sistemas operan en una atmsfera limpia puede emplearse un filtro de respiracin de bajo costo como el de la figura 2-10. Pero si se opera en atmsferas muy contaminadas deben emplearse filtros de alta calidad capaces de retener partculas mayores de 10 micrones.

FILTROSColadera de Succin: La mayora de las bombas utilizan para su proteccin un filtro destinado a retener partculas slidas en la aspiracin La practica usual cuando se emplean aceites minerales estndar, es utilizar coladeras de malla metlica capaces de retener partculas mayores de 150 micrones. Cuando se emplean fluidos ignfugos que tienen un peso especifico superior al aceite, es preferible emplear coladeras de malla 60 capaces de retener partculas mayores de 200 micrones, para evitar la cavitacin de la bomba.

Con la introduccin de bombas y vlvulas con alto grado de precisin, operacin a presiones elevadas y altas eficiencias, el empleo de la coladera de aspiracin no es proteccin suficiente para el sistema, si se quiere obtener una larga vida del mismo.

El propsito de la filtracin no es solo prolongar la vida til de los componentes hidrulicos, si no tambin evitar paradas producidas por la acumulacin de impurezas en las estrechas holguras y orificios de las modernas vlvulas y servovlvulas .

La figura 2-11 no muestra un filtro micronico que puede ser empleado en el retorno o el envo, el elemento filtrante de papel impregnado en fibra de vidrio, metal sinterizado, u otros materiales puede ser removido desenroscando el recipiente. Cuando la calda de presin a travs del elemento se incrementa, para evitar el colapso del mismo una vlvula de retencin se abre dando paso libre al aceite.

Filtro en Lnea.Una configuracin popular y econmica es el filtro en lnea de la figura 2-12 que tambin lleva incluida una vlvula de retencin, su desventaja consiste en que hay que desmontar la tubera para su mantenimiento.

Algunos circuitos de filtrado.

Los circuitos que veremos a continuacin utilizan filtros micrnicos de 10 micrones.

En la lnea de presin.La figura 2-13 vemos un filtro instalado a la salida de la bomba y delante de la vlvula reguladora de presin y alivio. Estos filtros deben poseer una estructura que permite resistir la mxima presin del sistema. Por seguridad deben poseer una vlvula de retencin interna. La mxima perdida de carga recomendada con el elemento limpio es de 5 PSI.

En el retorno por alivio. (ver Fig. 2-15)

En este punto Fig.2-14 puede emplearse un filtro de baja presin. Es una disposicin Ideal cuando trabajan vlvulas de control de flujo en serie y el caudal de exceso se dirige va la vlvula de alivio permanentemente a tanque. La mxima perdida de carga recomendada es de 2 PSI con el elemento limpio.

En la lnea de retorno.El aceite que retorna del sistema puede pasar a travs de un filtro cuando se dirige a tanque.

CUIDADO: Cuando seleccione el tamao de un filtro as , recuerde que el caudal de retorno puede ser mucho mayor que el de la bomba, debido a la diferencia de secciones de ambos lados de los cilindros.

Bibliografa y Sitios WEB de inters para Ingenieros Industriales

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