MANUAL DEL ALUMNO - Makina Erremintaren … Hidráulica, conceptos. NOMBRE Y FIRMA DEL PROFESOR...

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INSTITUTODE MAQUINAHERRAMIENTA

REVISION DE LA DOCUMENTACION PARA LA FORMACION

Código Rev.

04.14 1

MANUAL DEL ALUMNO CICLO: 1 DPM TÍTULO DEL MÓDULO:

Automatización de la fabricación UD4, Hidráulica, conceptos.

NOMBRE Y FIRMA DEL PROFESOR FECHA DE REVISIÓN

REVISADO POR



Automatización de la fabricación UD4, hidráulica: conceptos

Pág.- 2 Mantenimiento y montaje





Índice: A0.- Comparativa de energías. ............................................................................................................... 4 A1.- Introducción a la hidráulica. ............................................................................................................. 6 A2.- Magnitudes: ..................................................................................................................................... 8

A2.1.- Fuerza. ...................................................................................................................................... 8 A2.2.- Presión. ..................................................................................................................................... 8 A2.3.- Propagación de la presión. ....................................................................................................... 9 A2.4.- Multiplicación de las fuerzas. .................................................................................................. 10 A2.5.- Multiplicación de las presiones. .............................................................................................. 11 A2.6.- Caudal volumétrico. ................................................................................................................ 12 A2.7.- Ecuación de continuidad. ........................................................................................................ 12 A2.8.- Tipos de caudal. ...................................................................................................................... 15

A3.- Energía y potencia en un sistema hidráulico: ................................................................................ 19 A3.1.- Fricción, calor y pérdidas de presión. ..................................................................................... 21 A3.2.- Grado de eficiencia. ................................................................................................................ 23 A3.3.- Cavitación. .............................................................................................................................. 24 A3.4.- Golpes de ariete. ..................................................................................................................... 25 A3.5.- Tabla para la elección de cilindros. ......................................................................................... 26 A3.6.- Valores de cilindros y presiones normalizados. ...................................................................... 27

A4.- Aceites hidráulicos. ........................................................................................................................ 28 A4.1.- Introducción. ............................................................................................................................ 28 A4.2.- Viscosidad ............................................................................................................................... 28 A4.3.- Viscosidad absoluta o dinámica .............................................................................................. 29 A4.4.- Viscosidad cinemática ............................................................................................................. 29 A4.5.- Aceites hidráulicos .................................................................................................................. 30

A5.- Fluidos industriales: ....................................................................................................................... 31 A5.1.- Fluidos lubricantes .................................................................................................................. 31 A5.2.- Elección del sistema de lubricación. ....................................................................................... 32 A5.3.- Fluidos hidráulicos .................................................................................................................. 33

A6.- Ejercicios:....................................................................................................................................... 38





A0.- Comparativa de energías. Vamos a volver a ver la comparación entre las diferentes tecnologías que intervienen en automatización industrial: Sistemas

electrónicos Sistemas hidráulicos

Sistemas neumáticos

Producción de energía

A nivel nacional, dependiendo de la localización (hidráulica, térmica, atómica)

En grupos moto-bomba estacionarios o móviles, accionados con motores eléctricos, en casos excepcionales con motor de combustión interna. Pequeñas instalaciones también con accionamiento manual.

Por medio de compresores estacionados o móviles, accionados con motores eléctricos o motores de combustión interna. Sistema de compresores a elegir según la presión y el caudal necesario. En todas partes existe aire en cantidades ilimitadas para su compresión.

Almacenaje de la energía

Difícil y solo en cantidades reducidas mediante baterías

El almacenaje es limitado, con aire como medio auxiliar, solo es económico en pequeñas cantidades.

Fácil. El almacenaje en grandes cantidades es posible sin demasiados esfuerzos. El aire comprimido almacenado es transportable (botellas de gas).

Transporte de energía

Ilimitado, aunque con pérdida de energía

Hasta 100 m, velocidad de flujo v = 2 hasta 6 m/s.

Hasta 1000 m, velocidad de flujo v = 20 hasta 40 m/s. Velocidad de la transmisión de señales 20 hasta 40 m/s

Fugas Sin conexión con otras piezas no hay pérdidas de energía (peligro de muerte con alta tensión)

Contaminación del medio ambiente

Aparte de la pérdida de energía, no tiene desventajas

Influencias del entorno

Peligro de explosión de determinados entornos; sensible a la temperatura

Sensible a las oscilaciones de la temperatura Peligro de incendio en caso de fugas

No produce explosiones Insensible a las temperaturas En determinadas circunstancias se puede congelar (mucha humedad y bajas temperaturas

Velocidad de trabajo

Hasta 16 m/s Hasta 0.5 m/s. Hasta 1.5 m/s.

Costes de la energía consumida

Bajos Altos Muy altos, 1 m3 de aire comprimido a 6 bar cuesta entre 0,45 ptas. a 0,90 ptas. según la instalación y el rendimiento.

0.25 1 2.5

Movimiento lineal Difícil y costoso Fuerzas pequeñas Complicada regulación de las velocidades

Sencillo con cilindros Fácil regulación de la velocidad Fuerzas muy grandes

Sencillo con cilindros de hasta 2000 mm, gran aceleración. Fuerzas limitadas Velocidades muy dependientes de las cargas

Movimiento rotativo

Sencillo y de gran rendimiento (motores)

Motores hidráulicos Par de giro elevado Revoluciones bajas

Sencillo Bajo rendimiento Revoluciones elevadas (hasta 500000 rpm).

Movimiento giratorio

Obtención de movimientos giratorios mediante elementos mecánicos

Fácil de obtener, hasta 360º o más mediante piñones y cremalleras

Fácil de obtener, hasta 360º o más mediante piñones y cremalleras





Sistemas electrónicos

Sistemas hidráulicos

Sistemas neumáticos

Exactitud de posicionamiento

Exactitudes hasta ± 1 µm y superiores

Dependiendo de la sofisticación del sistema, es factible alcanzar exactitudes de ± 1 µm

Sin cambios de cargas, exactitud factible hasta 1/10 mm

Rigidez

Muy buena si se utilizan interconexiones mecánicas

Buena, puesto que el aceite prácticamente no se comprime; además, el nivel de presión es muy superior al de los sistemas neumáticos

Deficiente, puesto que el aire se comprime

Fuerzas No es resistente a sobrecargas. Grado deficiente de eficiencia por componentes mecánicos Pueden obtenerse fuerzas considerables

Resistente a sobrecargas. Si el sistema tiene presiones elevadas de hasta 600 bar, es factible generar fuerzas muy grandes, F < 3000 kN

Resistente a sobrecargas. Limitación de las fuerzas por la presión del aire y el diámetro de los cilindros. F < 30 kN hasta 6 bar

Fuerza lineal Poca eficacia debido a los elementos mecánicos posconectados, no sobrecargable, gran consumo de energía con marcha en vacío.

Gran desarrollo de potencia debido a la alta presión, sobrecargable hasta el límite de seguridad (válvula de seguridad); para fuerzas estáticas (parado) consumo continuo de energía.

Reducida potencia debido a la baja presión, sobrecargable hasta el paro en cuya posición no se consume energía; esfuerzos económicos según presión de aire y tamaño del cilindro de 1 kp-3000 kp (9,81 N-29430 N).

Fuerza rotativa Bajo momento de giro en la posición de paro, no sobrecargable, pequeño desarrollo de potencia.

Momento de giro total, incluso en la posición de paro, mayor consumo de energía, sobrecargable (válvula de seguridad); gran desarrollo de potencia.

Momento de giro total, incluso en la posición de paro sin consumo de aire, sobrecargable hasta el paro sin consecuencias negativas, reducida potencia, mayor consumo de energía con marcha en vacío.

Regulabilidad Sólo posibilidades reducidas, muy costoso.

Fuerza: según presión con amplio margen poco dependiente de la carga. Velocidad: muy buena y constante en trabajos lentos.

Fuerza: según presión (válvula reductora de presión) en la zona 1:10 pendiente de la carga. Velocidad: por válvula estranguladora o válvula de escape rápido, velocidad constante difícil.

Manejo Sólo con conocimientos profesionales peligro de corto circuito, una conexión equivocada puede destruir los elementos y el mando.

Más difícil que con neumática, seguridad con altas presiones. Líneas de fuga y de retorno, problemas de densidad.

Con pocos conocimientos se obtienen buenos resultados. El montaje y puesta en servicio de sistemas neumáticos es simple.

Ruidos Los contactores y los elecroimanes producen ruido al ser conectados.

Con altas presiones ruido de las bombas y se producen vibraciones de las tuberías.

Ruidos del aire de escape desagradables, se pueden reducir mucho aplicando silenciadores.





A1.- Introducción a la hidráulica. Se entiende por hidráulica la transmisión y el control de fuerzas y movimientos mediante líquidos; si este líquido es el aceite podemos hablar de oleohidráulica. Las instalaciones y elementos hidráulicos están muy divulgados en la técnica. Se emplean, por ejemplo:

- en la construcción de máquinas-herramientas. - en la construcción de prensas. - en la construcción de instalaciones. - en la construcción de automóviles. - en la construcción de aviones. - en la construcción de barcos.

Las ventajas de la hidráulica residen en el hecho de que con pequeños elementos, fácilmente gobernables y regulables, pueden producirse y transmitirse fuerzas y potencias grandes. La puesta en marcha de un objeto parado con carga máxima es posible con cilindros hidráulicos y con un motor hidráulico. Disponiendo los correspondientes elementos de mando se puede invertir rápidamente la dirección del movimiento. Los elementos hidráulicos son autolubricantes y, por tanto, su duración es larga. No obstante, también tienen desventajas. En muchos casos se encuentran en el medio de transmisión, en el mismo líquido a presión.

- en las altas presiones del líquido hidráulico hay peligros inherentes. Por esta razón, hay que prestar atención a que todas las conexiones estén firmemente apretadas y estancas.

- el rozamiento y las fugas de aceite reducen el rendimiento. En un sistema hidráulico nos vamos a encontrar con los siguientes cambios de energías :





Estos cambios de energía se pueden ver en un circuito hidráulico tipo:





A2.- Magnitudes: Las magnitudes que se utilizan en hidráulica son las del sistema internacional, aunque en la presión utilizaremos bar (como en neumática).

- Longitud en metros (m). - Masa en kilogramos (kg). - Tiempo en segundos (s). - Temperatura en kelvin (ºk) o grados Celsius (ºC).

Con ellas podemos sacar las magnitudes más importantes en hidráulica: fuerza, volumen, caudal, presión y velocidad. A2.1.- Fuerza. Fuerza = Masa • aceleración.

F = m • a = kg ms

• 2 .

Su unidad es el Newton (N) 1 1 2N kg ms

=•

.

A2.2.- Presión.

La presión es la fuerza dividida por la superficie.

p FA

= en Nm2

La unidad SI derivada para la presión es por tanto Nm2 , llamada pascal (Pa).

Como el pascal es una presión pequeñísima, se suele emplear el múltiplo mil (103 ) del pascal, el kilopascal (símbolo kPa) o el múltiplo cien del kilopascal, el bar (símbolo bar).

1 bar = 105 Pa =100 kPa

== 22 110

cmKg

cmN

1 Pa = 10-5 bar Ejemplo/ejercicio:

Sobre un cilindro actúa una presión de 100 bar; la superficie efectiva el émbolo es de 78,5 cm2, ¿cuál es su fuerza máxima? ¿Diámetro del cilindro en mm.?

100 bar





Ejemplo/ejercicio: Una plataforma deberá elevar una carga de 13000 N y el sistema hidráulico correspondiente tiene 75 bar, ¿qué tamaño debe tener la superficie AK del émbolo como mínimo?.

A2.3.- Propagación de la presión. Si una fuerza F actúa sobre una superficie A en un recipiente cerrado, surge una presión que se extiende por todo el líquido (Ley de Pascal). En todos los puntos del sistema cerrado la presión es la misma. en este caso:

......33

22

11

====AF

AF

AFp

Ejemplo: Si el área A1 = 10 cm2 y F1 = 1000 N, ¿cuánto será la presión generada dentro del recinto? ¿Cuánto vale F2 si A2 = 1 cm2?

75 bar

13000 N

A1

A5 A2

A3 A4

P F2

F3 F4

F5

F1





A2.4.- Multiplicación de las fuerzas. Tenemos que la presión p1 está generada al aplicar una fuerza F1 sobre la superficie A1, su valor

será: 111

AFp = , por otro lado, tenemos que el coche realiza una fuerza sobre la superficie A2, esto

originará una presión de valor: 222

AFp = . Como el sistema está en equilibrio se cumple que p1 = p2,

por lo tanto: 22

1121

AF

AFpp === .

Ejemplo: Datos: m = 1500 Kg. A1 = 40 cm2. A2 = 1200 cm2. Se pide: a.- F1? b.- En el apartado a la fuerza sale demasiado grande, si queremos elevar la masa con una fuerza de 100 N, ¿cuánto debería ser la superficie A2?

A2

p2

F1 F2

A1

p1

1500 Kg.

A1

F1

F2

A2





A2.5.- Multiplicación de las presiones. P1 ejerce sobre A1 una fuerza F1, esta fuerza se transmite por medio del vástago, la fuerza F2 produce una presión p2 sobre la superficie pequeña.

Se cumple que AFp = ; F1 = p1*A1 y F2 = p2*A2, como el sistema está en equilibrio se cumple que

F1=F2, por lo tanto p1*A1 = p2*A2. Ejemplo aplicado en un cilindro de doble efecto: a.- Si tenemos que: p1 = 10 bar. A1 = 8 cm2 = 8*10-4 m2

A2 = 4,2 cm2 = 42*10-5 m2 (cilindro 2:1) ¿Cuánto es el valor de p2? (valor de la contrapresión) b.- Si el valor de la contrapresión (resistencia de las tuberías al paso del fluido) es de 16 bar, ¿cuánto debe valer p1 como mínimo para que el sistema se mueva?

A2

A1

F2 F1

p1

p2

A1

F1

p1

p2

A2

A1

A2





A2.6.- Caudal volumétrico. Es la segunda ley que más se aplica en hidráulica además de la de la fuerza. El caudal volumétrico es el volumen que fluye de un líquido en un determinado tiempo, el caudal se designa por la letra Q.

tvQ = Q = caudal (m3/s) o en l/min.

v = volumen (m3) t = tiempo (s) Ejemplo: Si por una tubería fluyen 4,2 l/min, ¿cuántos litros obtendremos en 10 segundos? ¿Cuánto es Q en m3/s? A2.7.- Ecuación de continuidad.

Si en la fórmula del caudal tvQ = , sustituimos v por A*s (área por longitud) tenemos que:

)*(** velocidadáreavAt

sAtvQ === Q = caudal volumétrico en m3/s.

v = velocidad del fluido en m/s. A = sección en m2.

O también:

)**6(**6 velocidadáreavAQ = Si Q = caudal volumétrico en l/min. v = velocidad del fluido en m/s. A = sección en cm2. Ejemplo: Si por un tubo de sección 0,28 cm2 pasa un caudal de aceite de 4,2 l/min, ¿cuál es la velocidad del flujo? (Usar las dos fórmulas)





En un cilindro:

si tVQ = el volumen desplazado es V = A*s de dónde

tsAQ *

=

Ejemplo: El cilindro anterior tiene una superficie A1 de valor 8 cm2 y una carrera de 50 cm, si queremos que avance en 8 segundos, ¿cuál será el caudal necesario? ¿Cuál es su velocidad de avance? El caudal volumétrico de un líquido que fluye por un tubo de varios diámetros es el mismo (cte.) en cualquier parte del tubo. Esto significa que a menor sección del tubo más velocidad del líquido y viceversa. s = longitud. Se cumple que Q1 = A1*v1; Q2 = A2*v2, Q3 = A3*v3 Como Q es el mismo para todos entonces Q = A1*v1 = A2*v2 = A3*v3 = ... Si v1 = 4 m/s, A1 = 0,2 cm2, A2 = 0,08 cm2, ¿cuánto vale Q en m3/s? ¿Y el l/min?, ¿Cuánto vale v2?

A1

s

Q

A3

v2

v3

A1

v

Q

s2

s3

A2

S1





Ejemplo: La bomba nos da un caudal de 10 l/min, si d1 (diámetro del tubo) es de 6 mm y el diámetro del émbolo es de 50 mm, ¿cuál es la velocidad del fluido en el tubo? ¿Y la velocidad de avance del cilindro? ¿Cuál es el caudal que sale del cilindro si éste es 2:1? Decir la presión mínima necesaria para elevar la masa de 2000 Kg. Hallar el caudal de la bomba para que el tiempo de avance sea de 5 seg.

A1

A2

v2

v1

100 mm

50 mm

p

20000 N

Q2





A2.8.- Tipos de caudal. Si el caudal es de tipo laminar el líquido fluye en capas cilíndricas y ordenadas. Las capas interiores fluyen a más velocidad que las exteriores. A partir de cierta velocidad (velocidad crítica) las partículas del fluido ya no avanzan de forma ordenada, las capas que fluyen en el centro del tubo se desvían lateralmente con lo que chocan unas con otras formándose torbellinos. En el caudal laminar se pierde energía por rozamiento de las capas externas con las paredes del tubo pero en el régimen turbulento se pierde energía por los choques que hay entre las diferentes partículas del líquido, el régimen turbulento debe ser evitado en los sistemas hidráulicos. El coeficiente de Reynolds (Re) permite calcular el tipo de caudal que fluye por un tubo liso, dicho coeficiente es función de : - Velocidad del flujo del líquido v (m/s). - Diámetro del tubo d (m). - Viscosidad cinemática ν (m2/s).

idadvisdiámetrovelocidaddv

cos**Re ==

ν Si Re < 2300 tenemos caudal en régimen laminar.

Si Re >2300 tenemos caudal en régimen turbulento. El valor 2300 se denomina coeficiente crítico de Reynolds (Recrít) en tubos redondos y lisos. Si se pasa del valor 2300 el caudal se vuelve turbulento, pero, para que el caudal turbulento vuelva a ser laminar el valor Re debe bajar hasta ½ de Recrít, por lo cuál no se recomienda pasar del valor crítico de Re.

Si decimos que 2300*Re <=ν

dv, favorece al régimen laminar los pequeños diámetros, las

pequeñas velocidades y las viscosidades elevadas. Todo esto ocurre en los circuitos hidráulicos de máquina herramienta en los que el diámetro interior de las tuberías pocas veces pasa de los 15 mm; las viscosidad del aceite es generalmente de 4,5 Eº (0,33 stokes) de viscosidad cinemática.

Régimen laminar

V media (Vm) = Vmáx/2

V máx.

Régimen turbulento





Para calcular si en un tubo tenemos régimen laminar o turbulento, nos podemos ayudar del siguiente gráfico:

Para que el fluido circule por la tubería es necesario que lleve una velocidad y una presión que compense los rozamientos que se producen cuando el fluido se traslada por ella y, al mismo tiempo mantenga la velocidad de circulación. No obstante añadiremos algunas observaciones. Por ejemplo, usualmente el orificio de la entrada de la bomba es más grande que la salida, para acomodar una línea de toma mayor. Es muy conveniente conservar este tamaño a través de la línea entera de la entrada a la bomba. Por consiguiente, se debe poner la línea tan grande como se recomienda y tan corta como se pueda, teniendo la precaución de evitar dobleces y muchas conexiones en el línea de entrada. Las menores velocidades de circulación se dan en las conducciones de aspiración de las bombas donde han de tomarse precauciones extremas para evitar su cavitación, fenómeno que además de causar un funcionamiento irregular estropea rápidamente las bombas.





Por otro lado, en las conducciones de retorno interesa generalmente una velocidad de circulación relativamente baja para evitar pérdidas de carga y energía cinética excesivas que únicamente son perdidas y crean contrapresión en el motor o cilindro. El tamaño adecuado de las líneas debe usarse para asegurar bajo porcentaje de flujo. Igualmente es conveniente el menor número de conexiones y dobleces. Las líneas entre actuadores y las válvulas de control de velocidad deben ser cortas y rígidas. Las velocidades recomendadas en las conducciones para dimensionarse, se facilitan en la tabla : Velocidades de circulación del aceite Presión en kg/cm2 0÷10 10÷25 25÷50 50÷100 100÷150 150÷200 <200

Velocidad en m/s 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6

Para tubería de retorno (sin presión) se toma v = 2 m/s. Para tuberías de aspiración se toma v = 0,5 a 1,5 m/s. Con el ábaco de la figura de la página siguiente se puede calcular el diámetro de la tubería en función del caudal y la velocidad de flujo trazando una diagonal que una ambos datos. Como una idea orientativa sobre el caudal máximo admisible en las tuberías de un circuito. En diferentes diámetros, para una velocidad de circulación del aceite de 5 m/s se incluye la tabla siguiente:

Diámetro de la tubería Caudal máxima admisible en l/min Pulgadas Milímetros

1/8” ¼”

3/8” ½” ¾” 1”

1 ¼” 1 ½” 2”

2 ½” 3”

5 x 10 8 x 13 12 x 17 15 x 21 21 x 27 26 x 34 33 x 42 40 x 49 50 x 60 66 x 76 80 x 90

6 15 35 50 100 160 250 360 600 1000 1500





Ejemplo: Datos: Q = 4,71 l/min. v1 = 1 m/s. ν = 40 mm2/s. d1 = 10 mm. d2 = 5 mm. d3 = 5 mm. d4 = 1 mm. Se pide determinar los tipos de caudal en A1, A3 y A4.

A3.- Energía y potencia en un sistema hidráulico: La energía contenida en un sistema hidráulico está compuesta por varias energías parciales: Energías estáticas Energías dinámicas El estudio de estas energías no merece la pena. La potencia hidráulica viene determinada por la presión y por el caudal volumétrico: P = p*Q dónde P = potencia medida en vatios (W), 1 vatio = 1Nm/s. p = presión medida en Pascales (Pa), 1 Pascal = 1N/m2. Q = caudal volumétrico en m3/s.

A2 A1

Q

A3 A4 A3

V1

V3 V4

Energía potencial Energía de presión

Energía cinética Energía térmica





Podemos poner otras fórmulas derivadas de ésta:

===

=minlencaudalQ

cmkgfenpresiónpsegkgmenpotenciaP

QpP/

//

6* 2 1 CV = 735 W.

===

=minlencaudalQ

cmkgfenpresiónpCVenpotenciaP

QpP/

/450* 2

==

==

min/6,0

*

lencaudalQbarenpresiónp

WenpotenciaPQpP

Ejemplo de potencias en un sistema hidráulico:

Ejemplo: p = 60 bar. Q = 4,2 l/min. ¿Potencia? (420 W). Si P = 315 W y Q = 4,2 l/min, ¿cuál es la presión aplicada al accionamiento?





Sobre el mismo esquema anterior: Si la fuerza a realizar por el cilindro es de 500 Kg. y la velocidad de avance es de 0,1 m/s. ¿Cuál es la potencia hidráulica del cilindro? ¿Cuál será la potencia mínima de la bomba si la pérdidas por rozamiento son del 30%? A3.1.- Fricción, calor y pérdidas de presión. La energía hidráulica no puede transmitirse sin ninguna pérdida por tuberías. En las paredes del tubo y en el líquido mismo se produce rozamiento, que a su vez genera calor. La energía hidráulica se convierte en energía térmica. Una pérdida de energía hidráulica significa una pérdida de presión del líquido hidráulico. En todos los lugares angostos del sistema hidráulico, el líquido hidráulico pierde presión. Esta pérdida de presión se debe al rozamiento del medio que circula. Se denomina ∆p (delta p). Esta pérdida de presión en los estrechamientos, debido a que la energía se convierte en energía térmica, se provoca a veces deliberadamente (por ejemplo, en la válvula reductora de presión), pero a menudo no se desea que en los estrechamientos se pierda presión, por el calentamiento. Todo líquido hidráulico se calienta, pues, en servicio, por los muchos estrechamientos que hay en los elementos hidráulicos. Si se interrumpe la circulación, el líquido se para. Estando en estado de reposo, no se produce ningún rozamiento. Como consecuencia, la presión es la misma delante y detrás del punto de estrangulación. Las pérdidas de energía en un sistema hidráulico por lo tanto son las debidas al rozamiento de las partículas de aceite con la paredes de tubos y con las válvulas distribuidoras.





Las caídas de presión en una tubería se pueden hallar en el caso de pérdidas por tubos y desvíos aplicando fórmulas y mirando en tablas. Si queremos ver las pérdidas de presión en tuberías, deberemos mirar en los catálogos que nos suministra cada fabricante:

Las pérdidas de presión en tuberías y desvíos se pueden observar en las fotocopias anexas.





A3.2.- Grado de eficiencia. Como hemos comentado, en un sistema hidráulico y siempre que el aceite esté en movimiento hay pérdida de presión, como la potencia hidráulica es función de la presión y del caudal resulta que hay una pérdida de potencia en todo el sistema, las pérdidas suelen ser de unos valores :

El grado de eficiencia total η (se lee mu) = Psalida / Pentrada y siempre (como es de suponer) es menor de la unidad. Cada fabricante nos indica el grado de eficiencia de sus productos, así nos podemos encontrar con dos tipos de grados de eficiencia: ηv = grado de eficiencia volumétrico, nos indica las pérdidas en las bombas, motores y válvulas (pérdidas por fugas entre las juntas, son pérdidas de caudal). ηhm = grado de eficiencia hidráulico mecánico, nos indica las pérdidas provocadas por fricción en bombas, motores y válvulas. Así F=P*A*ηhm. Algunos valores: Supongamos una bomba de paletas con: ηv = 80 %, ηhm = 85 % por lo tanto, el rendimiento total será ηv = 0,80*0,85 = 68 %.





A3.3.- Cavitación. La cavitación es la eliminación de pequeñísimas partículas en las superficies de los materiales. En los elementos hidráulicos (bombas y válvulas), la cavitación se produce en los perfiles agudos de los elementos de mando. Esta destrucción del material se debe a picos locales de presión y a rápidos y fuertes aumentos de temperatura ¿Cuáles son las causas para los picos de presión y de temperatura? Si en un segmento de estrangulamiento aumenta la velocidad del caudal de aceite, se necesita energía cinética. Esa energía cinética implica una reducción de la energía de presión. De este modo puede provocarse una reducción de la presión en una zona de estrangulamiento, llegándose a producir una depresión. A partir de una depresión de ≤-0.3 bar se forman burbujas del aire que escapa del aceite. Si a continuación vuelve a subir la presión a raíz de una reducción de la velocidad, el aceite invade repentinamente la zona ocupada por las burbujas de aire.

Después del segmento de estrangulamiento vuelve a subir la presión, las burbujas se rompen. Como efectos de la cavitación tenemos: • Picos de presión: En el lugar en el que aumenta el diámetro se desprenden pequeñas partículas de la pared, provocando una fatiga del material y, posiblemente, su destrucción. Este proceso de cavitación es acompañado por ruidos considerables. • Combustión espontánea de la mezcla aceite y aire: Al romperse las burbujas, el aceite las invade instantáneamente. Debido a la elevada presión implicada en este proceso y por la consecuente compresión del aire, surgen temperaturas muy altas. De esta manera, pueden producirse una combustión espontánea de la mezcla acite-aire en las burbujas, similar a las que se producen en los motores de gasóleo (efecto diesel).





Existen varias razones que explican la existencia de estas partículas de aire en el sistema hidráulico : Cuando la tubería de aspiración suministra un caudal de aceite deficiente, puede ocurrir que la presión absoluta del líquido descienda a un valor igual a la tensión de vapor, lo que supone una evaporación del aceite y la formación de burbujas de vapor. Entenderemos por caudal de aceite deficiente cuando el diámetro de la tubería de aspiración presenta un estrechamiento por no haber calculado correctamente su diámetro, o bien cuando se produzca una pérdida de carga por dicho motivo más por haber en su montaje demasiados codos, curvas, accesorios, etc., o por estar obturado, en parte, el filtro de aspiración. Otra de las causas que puede producir la cavitación es la velocidad excesiva del aceite en la tubería de aspiración, lo que supone demasiada perdida de carga. Se puede producir también si el giro del motor que acciona la bomba sobrepasa la velocidad adecuada. Igualmente un depósito pequeño o un filtro sucio hace que no llegue aceite suficiente a la bomba; si hay poco nivel en el depósito, o aceite excesivamente viscoso o frío, puede ser causa también de cavitación. Por lo general, la cavitación vuelve ruidosa a las bombas, hace vibrar las tuberías y origina un mal funcionamiento de válvulas y motores, provocando el desgaste y ruina rápida de los elementos del sistema por erosión y fatiga mecánica. A3.4.- Golpes de ariete. Son aumentos bruscos de presión que se originan cuando el líquido está fluyendo y se corta su camino de forma brusca. Si estas sobrepresiones son muy elevadas se pueden romper tuberías, racores, etc...





A3.5.- Tabla para la elección de cilindros.

Recordemos:

Dk = 32 mm Dst = 22 mm

Ak = 8,04 cm2 Akr = 4,24 cm2





A3.6.- Valores de cilindros y presiones normalizados. Tanto el diámetro interior del cilindro como el del vástago y las presiones nominales están normalizadas en la norma DIN 24334 y EN ISO 3320/3322. Asimismo en las normas también se establece una relación preferencial para la relación ρ de la superficie del émbolo AK a la superficie anular del émbolo AKR. Diámetros interiores de los cilindros 12 16 20 25 32 40 50 63 80 100 125 160 200 220 250 280 320 360 400 Diámetros de los vástagos 8 10 12 14 16 18 20 22 25 28 32 36 40 45 50 63 70 80 90 100 110 112 140 160 180 200 220 250 280 320 360 Presiones nominales 25 40 63 100 160 200 250 315 400 500 630 Se recomiendan los valores que están subrayados. Para la carrera del cilindro se recomienda DIN ISO 4393 y para la rosca del vástago DIN ISO 4395.





A4.- Aceites hidráulicos. A4.1.- Introducción. Por regla general los fluidos de transmisión de potencia están constituidos por aceite derivado del petróleo, siendo el más clásico y el más usado el aceite mineral. Éste posee un gran poder lubricante que es un factor esencial para la buena conservación de los órganos mecánicos, especialmente cuando trabajan a fricción. Además tiene, en mayor o menor medida, ciertas características cuya importancia examinaremos a continuación. A4.2.- Viscosidad La viscosidad es una propiedad de las sustancias fluidas definiéndola como la resistencia que ofrecen las moléculas que configuran el fluido (aceite) al deslizarse unas sobre otras, siendo ésta la cualidad más importante de un aceite. Sin embargo, hay que distinguir entre las expresiones física de viscosidad y densidad pues son dos conceptos totalmente diferentes que poco tienen que ver entre sí, por densidad se entiende el cociente entre la masa de sustancia por unidad de volumen. De esta manera, un líquido puede ser muy denso y ser poco viscoso, y al contrario. Como ejemplo de lo dicho el aceite es menos denso que el agua, por eso flota sobre ella. Y no obstante, el aceite es mucho más viscoso que el agua; tarda más en vaciarse una vasija de aceite que una de agua, imaginando que ambas vasijas son iguales y con idénticos orificios de drenaje. Por consiguiente, se deduce que el aceite es más viscoso que el agua, pero es menos denso que ésta. A su vez, un aumento de la temperatura produce una disminución de la densidad. Hay que hacer la observación de no confundir densidad con peso específico ya que, el peso específico de un cuerpo, es el cociente entre el peso de dicho cuerpo y su volumen, es decir, el peso específico representa el peso de la unidad de volumen de un cuerpo. En resumen, la viscosidad es una propiedad que se pone de manifiesto cuando el líquido está en movimiento. La viscosidad es una magnitud física que mide la resistencia interna al fluir el líquido. Cuanto mayor es la viscosidad de un aceite, significa que mayor es también la resistencia que ese aceite presenta al fluir. De la acertada elección de la viscosidad del aceite hidráulico depende: - El rendimiento de la instalación. - Las pérdidas de carga, que son proporcionales a la viscosidad. - La duración de los órganos, que en muchos casos llevan ajustes estrictos. Si la viscosidad es demasiado alta, aumenta la fricción; y en caso de que la viscosidad fuera demasiado baja aumentan las fugas internas, puede disminuir la eficiencia de la bomba y al existir pérdidas por fugas aumenta la temperatura. Hay que distinguir dos tipos de viscosidades: - Viscosidad absoluta o dinámica, - Viscosidad cinemática.





A4.3.- Viscosidad absoluta o dinámica Newton comprobó experimentalmente en 1668 que la fuerza que había que ejercer para desplazar una de las capas de una película de aceite respecto a otra capa, es siempre directamente proporcional a la superficie que interviene y a la velocidad, e inversamente proporcional a la separación entre ambas superficies. El método de laboratorio para medir la viscosidad absoluta se basa en considerar a ésta como la resistencia que ofrece cuando se mueve una capa de líquido al desplazarla sobre otra capa del mismo fluido. En honor al doctor Poiseuille, que trabajó en el estudio de la viscosidad de la sangre, se adoptó como la unidad de medida de este tipo de viscosidad el nombre de Poise, siendo de uso corriente el centipoise (cP), que es la centésima parte de un poise. La viscosidad poise se define como la fuerza que se requiere por unidad de área para mover una superficie paralela a una velocidad de un centímetro por segundo, sobre otra superficie paralela, separada por una película de fluido de un centímetro de espesor. (En el sistema métrico la fuerza se expresa en dinas y el área en centímetros cuadrados).

22

*01019,0*11m

skpcm

sdinapoise ==

Un poise es la fuerza en dinas que tenemos que hacer para acelerar 1 seg/cm2 una partícula separada de otra 1 cm. La µ20ºH2O = 0,01 Poise = 1 Centipoise. A4.4.- Viscosidad cinemática El concepto de viscosidad cinemática ha surgido del uso del potencial de un líquido para producir un flujo a través de un tubo capilar. Estos tipos de viscosímetros aprovechan el propio peso del aceite para que caiga, pasando por una pequeña abertura inferior calibrada. Hemos hablado de peso. En este caso entra directamente en juego la densidad del aceite y la viscosidad cinemática que puede definirse como el resultado de dividir la viscosidad dinámica de un aceite por su densidad, medidas ambas, eso sí, y esto es muy importante, a la misma temperatura. En el S.I. la unidad de viscosidad cinemática es 1 m2/s; el sistema C.G.S. es 1 cm2/s = Stoke siendo la unidad de medida principal. Como submúltiplo se usa el centistoke (cSt) que es la centésima parte de un Stoke. Siendo : 1 stoke = 1 dina/1 poise = 1 cm2/s = 0,0001 m2/s Las conversiones entre las unidades de viscosidad absoluta y cinemática queda como sigue: Centipoise = Centistoke x Densidad La viscosidad de los aceites hidráulicos varía entre 15 y 20 centistokes, equivalentes a 2,5 °E y 16 °E, aunque los valores más normales van entre 35 y 70 centistokes.





A4.5.- Aceites hidráulicos Según DIN 51524 y 51525, los aceites hidráulicos se clasifican en tres tipos según sus propiedades y su composición: - Aceite hidráulico HL - Aceite hidráulico HLP - Aceite hidráulico HV En las siglas, la letra H significa que se trata de aceite hidráulico y las demás se refieren a los aditivos A las siglas se les agrega un coeficiente de viscosidad según DIN 51517 (clasificación de viscosidad según ISO). Aceites hidráulicos para sistemas hidráulicos Denominación Características especiales Campos de aplicación

HL

Protección anticorrosiva y aumento de la resistencia al envejecimiento

Equipos en los que surgen considerables esfuerzos térmicos o en los que es posible la corrosión por entradas de agua

HLP

Mayor resistencia al desgaste Igual que los aceites HL y, además, para equipos en los que por su estructura o modo de operación hay más fricciones

HV

Viscosidad menos afectada por la temperatura

Igual que los aceites HLP; se utiliza en equipos sometidos a oscilaciones considerables de la temperatura o que trabajan en temperaturas ambiente bajas

Aceite hidráulico HLP 68

HLP 68

H : Aceite hidráulico L : Con aditivos para obtener una mayor protección anticorrosiva y/o mayor resistencia al envejecimiento P : Con aditivos para disminuir y/o aumentar la resistencia 68: Coeficiente de viscosidad según DIN 51517

En máquina herramienta se usa un aceite cuyo índice de viscosidad cinemática oscila entre 16 a 60

cst, así los más usados son los HM-46, HL-46 o HLP-46.





A5.- Fluidos industriales: Hay ciertos elementos que son vitales en las industrias para conseguir un buen rendimiento; dichos dispositivos necesitan aceites u otras sustancias utilizadas como lubricantes, o líquidos hidráulicos para su accionamiento y control. Estos fluidos se pueden agrupar en dos grandes familias: los fluidos lubricantes y los fluidos hidráulicos. En este artículo se pretende dar una primera visión que sirva de introducción, para la utilización y aprovechamiento de estos fluidos industriales, así como una selección de la terminología y de la normativa más utilizada ( Enric Trillas i Gay, Profesor del departamento de mecánica de fluidos de la Universidad Politécnica de Catalunya). A5.1.- Fluidos lubricantes

Función de los lubricantes

La función primordial del lubricante es evitar el desgaste al reducir el rozamiento entre dos superficies; esto se consigue al crear una película de lubricante en la zona de contacto entre ambas. Ya se ha demostrado experimentalmente en muchas ocasiones que la influencia de la lubricación es Vital en la vida de las piezas. Es posible reducir las pérdidas friccionares y de lubricante con una tecnología apropiada en el diseño de configuraciones microgeométricas con diferentes perfiles de superficies. Esta lámina puede generarse con grasas de diferente penetración o con aceites de diferente viscosidad (lubricación líquida), o bien con lubricantes sólidos (lubricación seca). Si la lubricación es deficiente, es decir que la cantidad de aceite, grasa o lubricante sólido no es suficiente para crear el film lubricante del espesor adecuado, aparecen en estas zonas presiones y temperaturas muy elevadas. Si además el lubricante contiene aditivos, estos pueden reaccionar con las superficies de contacto en el caso de que éstas sean metálicas; Otras características que cumplen los lubricantes son: - la protección contra la corrosión - la evacuación del calor producido por el rozamiento - el lavado de partículas abrasivas.

Sistemas de lubricación Hay que distinguir dos sistemas diferentes de conseguir la lubricación: la lubricación líquida y la lubricación seca. Lubricación líquida: se conoce como lubricantes líquidos a los aceites y a las grasas. Uno de los principales aditivos que se utilizan para mejorar la capacidad de estos lubricantes líquidos para transmitir cargas y disminuir el rozamiento es el MoS2, en una proporción que del 0,5 al 3 % en peso en disolución coloidal en aceites y del 2 al 10 % en peso en grasas. Al usar aceites minerales muy aditivados, como, por ejemplo, hípoidales o aceites sintéticos, hay que prestar mucha atención a la compatibilidad de éstos con los materiales que se desea proteger. Lubricación seca: La utilización de lubricantes sólidos (grafito, disulfuro de molibdeno y politetrafluoretileno -PTFE-) evita el contacto entre las caras. Los metales blandos también pueden contarse entre los lubricantes sólidos, ya que debido a su baja resistencia al corte presenta un comportamiento favorable respecto al rozamiento. Estos lubricantes sólidos se usan directamente como polvo, aglutinados con aceite como pastas o en combinación con plásticos como lacas deslizantes. La manera de actuar de este tipo de lubricación se basa principalmente en compensar las diferentes rugosidades de las superficies. Este sistema de lubricación es muy duradero, siempre que exista una unión fuerte entre el lubricante y las superficies que proteger. Sin embargo, utilizado en exceso puede resultar contraproducente.





A5.2.- Elección del sistema de lubricación. En el momento de elegir el mejor sistema de lubricación hay que tener en cuenta los siguientes aspectos: - condiciones de servicio. - requerimientos respecto al rozamiento y a la temperatura - exigencias en cuanto al desgaste, la fatiga, la corrosión o daños debidos a agentes externos que hayan podido penetrar en la capa lubricante - garantizar en todo momento una alimentación continuada de lubricante - tener presentes los gastos originados por la instalación del sistema de lubricación y su posterior mantenimiento Normalmente, la elección suele hacerse entre un sistema por aceite o grasa y, en casos muy concretos, puede preverse una lubricación por lubricantes sólidos. Las ventajas esenciales de una lubricación mediante grasas es que éstas tienen una mayor eficacia de obturación y una elevada duración de servicio al no necesitar prácticamente ni mantenimiento ni aparatos para llevar a cabo la lubricación. Un sistema de lubricación con aceite resulta adecuado bando es necesario evacuar calor a través del lubricante o cuando existen altas solicitaciones de carga. Una lubricación por inyección de aceite en grandes cantidades facilita la alimentación precisa de todos los puntos de contacto, así como una buena refrigeración.

Daños producidos por una lubricación deficiente : Las causas principales de los danos debidos a la lubricación son : - la utilización de un lubricante inapropiado (aceite de viscosidad demasiado baja, falta de aditivos, aditivos poco apropiados, efecto corrosivo de los aditivos...) - falta de película lubricante en algunas zonas - impurezas en el lubricante - lubricación excesiva. Los daños debidos a un lubricante poco apropiado o debido a la variación de las propiedades del lubricante pueden evitarse si se consideran todas las posibles condiciones de servicio en el momento de elegir el lubricante y teniendo la precaución de renovarlo cuando corresponda. Para evitar una lubricación deficiente o el exceso de lubricante se debe tener presente la manera más adecuada de abastecimiento del lubricante, tanto

desde el punto de vista constructivo como del proceso. Todos los lubricantes contienen desde su fabricación una determinada cantidad de impurezas (sólidas o líquidas); hay por eso ciertas normas que establecen los valores límites para tener una suciedad admisible, ya que un mayor grado de ensuciamiento origina tiempos de funcionamiento menores que si la limpieza es especialmente buena. Las impurezas sólidas adquieren una especial importancia, según sea el tamaño, tipo (composición química) y dureza de las mismas, así como el número existente (porcentaje en volumen), ya que originan desgaste abrasivo y fatiga prematura. Una de las medidas que tornar en consideración para disminuir la concentración de estas partículas extrañas consiste en realizar un excelente filtrado en el caso de la lubricación por aceite y prever períodos de cambio de la grasa cortos en la lubricación por grasa. Las principales impurezas líquidas en los lubricantes son el agua y ciertos líquidos agresivos como ácidos, sosas o disoluciones. En los aceites el agua puede presentarse libre, en dispersión o en disolución. Si el agua está libre en el aceite existe e! peligro de la corrosión; puede reconocerse esta presencia por la variación de color del aceite (blanco-grisáceo). El agua en dispersión como emulsión de agua en aceite repercute considerablemente en las condiciones de lubricación, no siendo así si el agua está diluida en el aceite en pequeñas proporciones. En las grasas, el agua origina variaciones de la estructura, de forma parecida a lo descrito en la emulsión de agua en aceite, haciendo que disminuya la duración a la fatiga. Asimismo, al penetrar agua debe reducirse el periodo de cambio de la grasa, dependiendo, naturalmente, de la cantidad de agua que haya penetrado. Los líquidos agresivos originan grandes variaciones de las características fisico-quimicas y provocan un envejecimiento del lubricante. Generalizando se puede decir que los fallos debidos a una lubricación deficiente pueden evitarse mediante un control exhaustivo de los elementos que son lubricados, concretamente mediante la medición de vibraciones, del desgaste, de la temperatura y realizando una serie de ensayos al lubricante.

Problemática de los aceites lubricantes usados : La industria demanda cada vez en mayor cantidad la utilización de aceites lubricantes, generando consecuentemente un volumen de residuos que conviene eliminar o reciclar existe por tanto una doble vertiente de actuación, reciclado para su





nueva utilización o eliminación con aprovechamiento energético. Estas dos alternativas se pueden agrupar en líneas generales en cuatro grandes grupos: 1.- vertido controlado (resulta dificultoso por la gran cantidad de componentes no degradables por medios naturales). 2.- incineración: conresponde a la oxidación total de los componentes carbonosos con la repercusión ambiental consiguiente. 3.- Combustión: aprovecha la capacidad energética de los componentes combustibles. Esta acción tiene el inconveniente de la destrucción de productos no renovables y la producción de residuos de combustión tóxicos; presenta la ventaja de ser una alternativa económica. 4.- birrefino: consiste en el tratamiento físico-químico del lubricante usado para convertirte en apto para su comercialización. Es una alternativa económica con un reducido impacto ambiental. La utilización de lubricantes y grasas naturales solucionaría en parte esta problemática, ya que al ser biodegradables son una protección para el medio ambiente. A5.3.- Fluidos hidráulicos

Función de los fluidos hidráulicos La función primordial de los fluidos hidráulicos es actuar como vehículo transmisor de la energía desde el punto de transformación al punto de utilización, es decir, servir de elemento para transferir potencia para realizar un trabajo, normalmente a una presión muy elevada.

Elección del fluido hidráulico Teóricamente puede utilizarse como fluido hidráulico cualquier fluido, sin embargo, en la práctica, el número de posibles fluidos que utilizar se reduce a unos pocos, ya que estos deben cumplir cuatro objetivos principales: 1.- Transmitir potencia: el fluido debe poder circular fácilmente por el circuito con la menor perdida de carga posible. 2.- Lubricar y proteger : en la mayoría de los mecanismos hidráulicos, la lubricación interna la debe proporcionar el fluido, para reducir la fricción entre los elementos que se deslizan sobre la película lubricante, manteniendo en todo momento las características vistas en el apartado descrito anteriormente sobre los fluidos lubricantes. 3.- Estanqueidad: en ciertos casos el fluido debe cumplir la función sellante en los mecanismos.

4.- Refrigerar las fugas internas y el rozamiento interno de los componentes hidráulicos generan calor, que debe ser disipado ya sea mediante intercambiadores o a través de los tanques de alma cesamiento La misión del fluido hidráulico es transportar ese calor hacia los puntos donde será disipado. Aparte de estas funciones básicas, al fluido hidráulico se le exigen otras características, dependiendo del diseño y exigencias del fabricante de los componentes del sistema hidráulico, siendo las principales: - viscosidad - estabilidad térmica y química - propiedades antiherrumbre y anticorrosiva - compatibilidad con juntas y retenes - relación viscosidad/temperatura - desaireación - capacidad antiespumante - resistencia a la oxidación - filtrabilidad. Prácticamente, el único fluido que cumple con todas estas peculiaridades es el aceite hidráulico, que tal como hemos visto debe poseer ciertas características especiales que le hacen un poco distinto del aceite utilizado en la lubricación.

Terminología Tal como se ha descrito en los dos apartados anteriores, para la elección del fluido hidráulico o del lubricante que mejor se adapta a nuestras exigencias, nos encontramos con un gran número de factores que no siempre somos capaces de descifrar. Con la terminología y la normativa que se comentan a continuación se pretende ayudar a los usuarios para que éstos realicen una selección del fluido apropiada. - Aceite básico. Es aquel contenido en una grasa

lubricante. La parte proporcional se elige según el espesante y la aplicación de la grasa. Según sea la cantidad de aceite básico y su viscosidad, varían la penetración y el comportamiento con respecto al rozamiento de la grasa.

- Aceites de siliconas. Son aceites sintéticos que

se aplican bajo condiciones especiales de servicio. Tienen valores característicos más favorables que los aceites minerales, pero propiedades lubricantes peores y una capacidad menor de solicitación a carga.

- - Aceites universales. Son para motores y

engranajes con una relación viscosidad/temperatura mejorada.





- Aceites HD. Los aceites Heavy-Duty contienen aditivos y son para motores de combustión en condiciones extremas.

- Aceites hidráulicos. Son líquidos hidráulicos

a base de aceites minerales con un punto bajo de coagulación, resistentes al envejecimiento, antiespumantes y con un alto grado de refinado.

- Aceites hipoidales. Son aceites lubricantes para

alta presión con aditivos EP para engranajes hipoidales, principalmente utilizados para los ejes de tracción de vehículos.

- Aceites lubricantes adherentes. Son agentes

lubricantes de elevada viscosidad, generalmente bituminosos y pegajosos, que normalmente se utilizan diluidos.

- Aceites lubricantes B. Aceites oscuros que

contienen betún con buenas propiedades adherentes. DIN 51 513.

- Aceites lubricantes C, CL. CLP. Aceites para

engranajes con lubricación mediante circulación. DIN 51 517 T1 /T2/T3.

- Aceites lubricantes CG. Son para pistas de

deslizamiento. - Aceites lubricantes D. Son para instalaciones de

aire a presión. - Aceites lubricantes K. Son para máquinas

refrigeradoras. DIN 51503. - Aceites lubricantes N. Aceites lubricantes

normales. DIN 51 501. - Aceites lubricantes T. Aceites de lubricación y

regulación para turbinas de vapor. DIN 51 515 T1 .

- Aceites lubricantes V. Son para compresores de

aire. DIN 51 506. - Aceites lubricantes Z. Aceites para cilindros a

vapor. DIN 51 510. - Aceites lubricantes para engranajes. Son

aceites lubricantes para engranajes de todo tipo, según DIN 51 509,51 517 T1/T2/T3 (aceites lubricantes C, CL, CLP).

- Aceites minerales. Son derivados de

petróleos naturales o de sus derivados, valga la redundancia.

- Aceites normales de lubricación. Son aceites

lubricantes L-AN según DIN 51 501. Se usan siempre que no existan exigencias especiales al lubricante.

- Aceites para husillos. . Aceites lubricantes muy

fluidos con una viscosidad de aproximadamente 10 a 90 mm2/s a 20 °C (o de 5 a 30 mm2/s a 40 °C, respectivamente).

- Aceites para máquinas frigoríficas.. Se usan

como aceite, lubricantes en máquinas frigoríficas y están expuestos a la acción del agente refrigerante. Según sean los agentes refrigerantes, estos aceites están clasificados en grupos. DIN 51 503.

- Aceites para turbinas de vapor. Son aceites muy

refinados, resistentes al envejecimiento (aceites lubricantes T), que se utilizan para la lubricación de variadores de turbinas a vapor y de sus rodamientos. DIN 51 515 T1.

- Activadores (ver aditivos). - Aditivos. Los aditivos son sustancias

adicionales añadidas a los aceites minerales o productos derivados de éstos y solubles en ellos. Los aditivos modifican o mejoran por efectos físicos o químicos las propiedades de los lubricantes.

- Aditivos contra movimientos bruscos. Son aditivos que se añaden a los lubricantes para evitar movimientos bruscos, como en las bancadas de máquinas-herramientas.

- Aditivos para mejorar el índice de

viscosidad. Son aditivos diluidos en el aceite mineral y que mejoran la con relación entre viscosidad y temperatura. A temperaturas elevadas ayudan a elevar la viscosidad y a bajas temperaturas mejoran la fluidez.

- Aditivos contra el desgaste. Son aditivos

encargados de disminuir el desgaste en la zona de rozamiento mixto. Se distingue entre: - aditivos de efecto suave, como ácidos

grasos, aceites grasos. - aditivos de alta presión, como

combinaciones de plomo, azufre, cloro o fósforo.

- lubricantes sólidos como grafito y disulfuro de molibdeno.

- Antioxidantes. Son aditivos que retardan el

envejecimiento de los aceites lubricantes. - Aparato de cuatro bolas. Es un aparato para el

examen de lubricantes según DIN 51 350. En un conjunto de cuatro bolas en forma de pirámide, la bola superior gira. La solicitación a carga puede elevarse hasta el punto en que as bolas se suelden entre sí (esfuerzo de soldadura), (gripado). El esfuerzo expresado en Newtons





sirve como valor característico de este aparato. Como valor característico del desgaste después de una hora de ensayo se toma el diámetro de as cazoletas desgastadas de las tres bolas en reposo (huella). El mejor aceite es aquel que produce una huella más pequeña soportando una carga mayor antes del gripado.

- ASTM. Abreviatura de "American Society for

Testing Matenals". Este Instituto determina, entre otras, las normas americanas para los aceites minerales.

- ATF. Abreviatura de "Automatic Transmission

Fluid". Son lubricantes especiales adaptados a las exigencias en variadores automáticos

- Bentonitas. Son minerales (por ejemplo, silicatos

de aluminio), que se usan para la fabricación de grasas lubricantes termorresistentes y, al mismo tiempo, con buenas propiedades de resistencia al frío.

- Brightstock. Residuo de aceite lubricante

refinado y de elevada viscosidad, ganado por la destilación en vacío. Es un componente de mezcla para aceites de lubricación que mejora el comportamiento lubricante.

- Capacidad antiespumante. La formación de

espuma por la asociación de burbujas de aire desprendido del seno del fluido en la superficie debe ser evitada en lo posible. En muchos casos, la formación de espuma se debe a un inadecuado diseño de tanque o a la contaminación de fluido hidráulico.

- Capacidad de demulsión. Es la capacidad de

separación de los aceites de las mezclas de aceite y agua.

- Capacidad de separación de agua. La

capacidad de un aceite de separar agua se realiza según ensayos definidos en la norma DIN 51 589.

- Características. En general, las características de un aceite lubricante abarcan el punto de infamación, la densidad, la viscosidad nominal, el punto de solidificación y datos sobre los aditivos. Las grasas se caracterizan por la base de saponificación, el punto de goteo, la penetración de amansamiento y los aditivos, si los hay.

- Centipoise (cP). Unidad que se emplea para la

viscosidad dinámica ( 1 cP = 1 mPa s). - Centistoke (cSt). Unidad empleada para la

viscosidad cinemática ( 1 cSt = 1 mm2/s). - Clase NLG1 (véase Penetración).

- Clasificación SAE. En países de habla inglesa y en la técnica de automóviles se define la viscosidad de aceites lubricantes según la clasificación SAE (Society of Automotive Engineers). La equivalencia para aceites lubricantes de motores se encuentra en la norma DIN 51 511 y la correspondiente a aceites para cajas de cambio, en la DIN51 512.

- Clasificación de la viscosidad. En las normas

ISO 3448 y DIN 51 519 se definen 18 clases de viscosidad para lubricantes industriales en la zona comprendida entre 2 y 1.500 mm2/s a 40 °C.

- Color de los aceites. Los aceites usados

muchas veces se valoran a raíz de su color. Pero ya que el color del aceite nuevo puede ser más o menos oscuro, hay que tener mucho cuidado con una valoración de este tipo. Sólo comparando con una prueba del correspondiente aceite nuevo puede decirse si el color oscuro es consecuencia de la oxidación. Muchas veces el origen del color oscuro es suciedad debida a polvo u hollín. Prueba ASTM 1500, definido por transparencia con el colorímetro Union para los productos no claros y con el colorímetro Saybolt para los aceites blancos; bien indicado por un número comprendido entre 1 y 8, siendo los valores altos para los aceites rojizos y los valores bajos para los aceites de color paja. Para indicar la calidad de un aceite, aunque sea de una manera muy aproximada, ha de tener un color comprendido entre I y 3. También puede utilizarse el método DIN ISO 2049.

- Compatibilidad del aceite hidráulico con

juntas y retenes. El fluido seleccionado debe ser perfectamente compatible con los materiales utilizados en el sistema hidráulico. Se debe tener especial cuidado con las juntas de motores, bombas y válvulas cuando se utilice un fluido de base sintética.

- Comportamiento esponjoso. El análisis del

comportamiento esponjoso del caucho y de elastómeros bajo la influencia de lubricantes se efectúa según DIN 53 521.

- Comportamiento frente al frió (véase Punto de coagulación).

- Consistencia. Es una medida de la

moldeabilidad de las grasas lubricantes, (véase asimismo Penetración).

- Contenido de cenizas. Las cenizas son los

residuos incombustibles de un lubricante. Pueden tener diferente origen: pueden provenir de sustancias activas disueltas en el aceite; del grafito y del disulfuro de





molibdeno, así como de los espesantes. Los aceites minerales refinados sin usar y sin aditivos deben estar totalmente libres de cenizas. Los aceites usados contienen jabones metálicos insolubles que se originan durante el funcionamiento, además de residuos incombustibles de partículas de suciedad, por ejemplo, abrasión de órganos de rodamientos y obturaciones. A veces puede determinarse un deterioro incipiente en un rodamiento a raíz del contenido de cenizas.

- Contenido de agua. Si un aceite lubricante

contiene agua, la película lubricante está interrumpida por gotas de agua, con lo que disminuye su capacidad lubricante. Además, el agua en el aceite acelera el envejecimiento y origina corrosión. El contenido de agua puede determinarse mediante destilación o con una decantación en un tubo de ensayo, ya que el agua, por su mayor peso específico, se posa en el fondo. Si los aceites tienden a emulsionar, hay que calentar la prueba. Un contenido escaso de agua (a partir de 0,1 %) se determina con la prueba del chasquido de Spratz: el aceite se calienta en un tubo de ensayo sobre la llama y si hay indicios de agua, se oye un ruido crepitante, un chasquido. Si el contenido de agua es mayor, la espuma producida rebasa el tubo.

- Correlación viscosidad y presión. Es la

dependencia de la viscosidad de un aceite lubricante de la presión la que está sometido.

- Correlación viscosidad y temperatura

(correlación V-T). Con esta denominación se define en los aceites lubricantes y en los hidráulicos la variación de la viscosidad en función de la temperatura. Se dice que no varia fuertemente su viscosidad con la temperatura (véase también índice de viscosidad).

- En algunos casos, para potenciar la relación viscosidad/temperatura se agregan a estos fluidos aditivos que mejoran el índice de viscosidad; dichos aditivos deben tener una alta resistencia al cizallamiento (véase también Aditivos).

- Corrosión sobre el cobre. Prueba ASTM D 130.

La placa que se desea ensayar está sumergida en el aceite a una temperatura constante de 100 °C durante 3 horas, midiéndose la pérdida en peso de esta placa. Cuanto menor es este valor, mayor es el poder anticorrosivo relativo al cobre. DIN 51 759.

- Corrosión sobre el acero. Se utiliza la prueba

DIN 51 585, que sigue un procedimiento

parecido al descrito en la corrosión sobre el cobre, con análogas consideraciones.

- Datos de análisis. Entre los datos de análisis

hay que mencionar densidad, punto de inflamación, viscosidad, punto de solidificación, punto de goteo, penetración, índice de viscosidad, índice de neutralización e índice de saponificación. Los datos de los análisis obtenidos Caracterizan las propiedades físicas y químicas de los lubricantes y permiten, dentro de ciertos límites, sacar conclusiones con respecto a su utilización (véase también Especificaciones).

- Demulsibilidad o número de emulsión (NE).

Prueba ASTM 1401 que valora el tiempo en segundos necesario para que el aceite se separe del agua, con la cual ha estado previamente mezclado en unas determinadas condiciones de ensayo (54 °C); los mejores aceites dan unos tiempos de separación muy bajos, nunca superiores a 90-150 s, dependiendo de la viscosidad.

- Densidad. La densidad de aceites minerales se

denomina con la letra griega ρ, se mide en g/cm3 y se refiere a 15 °C. La densidad de aceites lubricantes minerales se encuentra alrededor de ρ=0,9 g/cm3. La densidad depende de la estructura química del aceite. Aumenta en aceites del mismo origen con la viscosidad y disminuye al aumentar el grado de refinación. La densidad por sí sola no es una magnitud de la calidad.

- Depósitos. Los depósitos constan principalmente de partículas de hollín y de suciedad. Se originan debido al envejecimiento del aceite, al desgaste mecánico, bajo la influencia de mucho calor o de intervalos de cambio de lubricante demasiado largos. Estos residuos se depositan en el baño de aceite, en los rodamientos, en los filtros y en las conducciones de alimentación del lubricante. Estos depósitos pueden repercutir en la seguridad de servicio.

- Desaireación. La capacidad de eliminar el

aire es una característica muy importante, dado que éste origina pérdidas de eficiencia. El aire provoca: - aceleración del proceso de degradación - cavitación, fenómeno resultante de la

implosión de las burbujas de aire, causando la erosión de las superficies metálicas

- reducción de la protección antidesgaste - disminución de la conductividad térmica.

- Destilados. Mezclas de hidrocarburos obtenidos durante la destilación del petróleo.





- Detergentes. Agentes con la propiedad de disolver residuos y de limpiar superficies que deben ser lubricadas.

- Dispersantes. Agentes en los aceites lubricantes

que mantienen en suspensión partículas de suciedad en forma finísima, hasta que se separan por filtración o por sustitución del aceite.

- Distensión de las grasas lubricantes. La

capacidad de distensión de las grasas lubricantes permite extraer conclusiones sobre su aplicación y uso en instalaciones centrales de lubricación. DIN 51 860 T2.

- Duración de servicio de la grasa. Es el tiempo,

determinado en ensayos de laboratorio y en la práctica, que tarda en fallar un relleno de grasa. Incluso en las mismas condiciones de servicio y de ensayo, estos tiempos de fallo divergen en la relación de 1 a 10.

- Emulgentes. Aditivos que influyen en la

capacidad de emulsión de los aceites. - Emulsión. Mezcla de sustancias no solubles, en

el caso de aceites minerales generalmente con agua bajo la acción de emulgentes.

- Ensayo de las tiras de cobre. Procedimiento

para determinar cualitativamente el azufre activo en aceites minerales. DlN 51 759 y en grasas DIN 51 811 .

- Ensayo mecánico-dinámico de lubricantes. Las

grasas para rodamientos se verifican en condiciones cercanas a la realidad, es decir, en condiciones de servicio y ambientales. Del comportamiento del elemento de prueba y del lubricante durante el ensayo se deduce la valoración del lubricante. Los ensayos realizados en aparatos patrón suministran resultados aplicables sólo en parte a los rodamientos. Por ello, hoy en día se prefieren ensayos en los que se usan rodamientos como elementos de prueba. En el sistema de ensayo FE9 de FAG con rodamientos pueden elegirse las velocidades de giro, las solicitaciones a carga y las condiciones de montaje. Además puede variarse la temperatura de servicio mediante una calefacción. La capacidad lubricante se valora a base de !as duraciones alcanzadas, así como de la potencia absorbida. En el sistema de ensayo FE8 de FAG pueden elegirse libremente el tipo de rodamientos y, dentro de ciertos límites, también el tamaño de éstos. Además, es posible medir la potencia en el rodamiento. Puesto que existe una cierta divergencia en los resultados obtenidos, es necesario asegurar los valores obtenidos estadística mente En la norma DIN S l 825 para

grasa de rodamientos se describe el aparato de ensayos Schweizer de SKF para grasas. Con este dispositivo se verifican las propiedades de las grasas con rodamientos oscilantes de rodillos como elementos de ensayo.

- Envejecimiento. Por envejecimiento se entiende la alteración físico-química de lubricantes debida al oxígeno del aire, el calor, la humedad, la presión, partículas metálicas, etc. La apariencia externa se manifiesta en aceites minerales en forma de variación de color y viscosidad, así como en formación de lodos; en las grasas en forma de variación del color, de la consistencia y de la estructura.

- Especificaciones. Son normas militares o de las

empresas para lubricantes, en las que se definen las propiedades físicas y químicas y los métodos de ensayo.

- Especificaciones militares (MIL). se trata de las

especificaciones de la armada de los EE.UU. con exigencias mínimas para los lubricantes que suministrar. Los fabricantes de motores y de máquinas muchas veces presentan las mismas exigencias mínimas de los lubricantes. El cumplimiento de estas exigencias mínimas se valora como medida de calidad.

- Espesantes. Los espesantes y los aceites

básicos son los componentes de las grasas lubricantes. La parte proporcional del espesante y la viscosidad del aceite determinan la Consistencia de la grasa lubricante.

- Espuma. La espuma es un fenómeno no

deseado en aceites minerales, ya que favorece el envejecimiento de los aceites, además, un exceso de espuma puede conducir a pérdidas de aceite.

- Espumamiento. Ensayo ASTM D 892 se valora

el volumen en mi de la espuma producida en el aceite por insuflación de aire a 24 °C y a 93,5 °C, después de esta temperatura, cuanto menor es el volumen de espuma, mayor es la capacidad del aceite de separarse del aire



Automatización de la fabricación UD4, hidráulica: conceptos.


A6.- Ejercicios: 1.- Cálculos básicos. Calcular los valores que faltan.

Los valores calculados son los mínimos necesarios, se deberán incrementar como consecuencia de los rendimientos y de las pérdidas de carga.

Datos de cálculo: Q = 4.000 Kg. S1 = 100 cm2. S2 = 80 cm2. P = ? bar.

Datos de cálculo: Q = ? Kg. S1 = 100 cm2. S2 = 80 cm2. P = 100 bar.

Datos de cálculo: Q = 6.000 Kg. S1 = ? cm2. S2 = ? cm2. P = 200 bar.





2.- Sea el siguiente cilindro hidráulico.

La masa a mover es 2000 Kg. la carga es metal y la superficie sobre la que se desliza es metal.

Calcular la fuerza necesaria para mover la masa:

- Si las superficies están secas y el coeficiente de rozamiento µ es medio. - Si se engrasan las superficies y el rozamiento es mínimo. - Si la presión de trabajo es de 20 bar. ¿Qué cilindro será el mínimo aconsejado?





3.- Sea el circuito siguiente:

Calcular:

- Caudal que debe suministrar la bomba para que el émbolo (cilindro) se desplace a una velocidad de salidas de 0,08 m/s.

- Caudal que debe suministrar la bomba para que el émbolo (cilindro) se desplace a una velocidad de entrada de 0,05 m/s.

- Velocidad del fluido en la tubería de presión para realizar la salida del vástago. - Velocidad del fluido en la tubería de presión para realizar la entrada del vástago.





4.- Cálculo de la sección y diámetro de una tubería.

Calcular la sección y diámetro de la tubería, sin tener en cuenta las pérdidas de carga, para ello calcular la presión necesaria para mover el cilindro y a continuación en función de la tabla de velocidades de fluidos aconsejadas determinar le diámetro de la tubería. 5.- Sobre el circuito de la figura:

Si el caudal que suministra la bomba es de 4,2 l/min. y la limitadora de presión está ajustada a 60 bar. Se pide: a.- Fuerza de avance del cilindro sin tener en cuenta la contrapresión. b.- Fuerza de retroceso. c.- Velocidad del flujo en la tubería. d.- Velocidad del flujo en el cilindro (cuando avanza). e.- Tiempo de avance. f.- Cuando está avanzando, ¿cuánto vale Q’? g.- Tiempo de retroceso.





6.- Sobre el circuito de la figura.

Si p1 máxima son 60 bar, Calcular: a.- Diámetro mínimo del émbolo para mover esa masa (se supone sin considerar las caídas de presión). b.- Si las caídas de presión se considera que son 8 bar, ¿cuál sería ahora el diámetro mínimo del cilindro? c.- Q de la bomba para que el tiempo de avance sea de 6 segundos. d.- Diámetro del tubo depresión (1) si debe trabajar en régimen laminar, la ν = 50 mm2 /s. e.- Caudal de salida al avanzar. f.- Si la fijación es MS2, ¿tiene problemas de pandeo?





7.- En una aplicación hidráulica se utiliza un cilindro de doble efecto accionada por una válvula manual 4/2. La fuerza del cilindro es 10000 N y el diámetro de éste es de 50 mm con una relación de superficies ϕ (fi) = 2:1. El caudal de la bomba es de 32 l/min.

a.- Caudal por la tubería 1. b.- Caudal por la tubería 2 al avanzar. c.- Caudal por la tubería 3 al avanzar. d.- Caudal por la tubería 1 al retroceder. e.- Caudal por la tubería 2 al retroceder. f.- Caudal por la tubería 3 al retroceder. Las curvas de las caídas de presión de la válvula son (esta es de tipo d):





Completar los cuadros siguientes:





8.-

La fuerza que ha de vencer el cilindro es de 1000 N, se desea que este trabaje a una presión de 50 bar. La velocidad del cilindro es de 5 m/min. Calcular la potencia de la bomba sin pérdidas. Con pérdidas del 25%.





9.-

Se desea elevar una masa m de 40 KN en 5 seg. con un cilindro diferencial (retroceso a doble velocidad que el avance) cuyas superficies tienen una relación ϕ de 2:1. La Pmáx del sistema es de 155 bar. El grado de eficiencia mecánico hidráulico del cilindro es ηmh = 0,95. La pérdida de presión en las tuberías es de 5 bar, la de la válvula de vías es de 3 bar. La contrapresión en el avance es de 6 bar. a.- Calcular el diámetro dK del émbolo. b.- Calcular el diámetro dST del vástago. c.- Caudales para el avance. d.- Velocidad de retroceso.





10.- Dado el circuito de la figura :

Datos: Cilindro ϕ 2:1, ∅80 mm. M = 2000 Kg. l = 500 mm. t avance = 3 seg. Se pide: 1. Caudal que debe suministra la bomba. 2. Presión en P2 para que se pueda elevar la

masa. 3. Caídas de presión en el avance si las caídas

de presión en la tubería 1 son de 2 bar y en la 4 de 3 bar. Las caídas en la válvula de vías se calculan en la tabla inferior.

4. Caudal que sale por la tubería 3 cuando el cilindro avanza.

5. Presión a la que se debe ajustar la válvula 0.1 para poder mover la masa, y contrarrestar tanto las caídas en la tubería como la contrapresión (suponerlas de 6 bar).

6. Tiempo de retroceso. 7. Caudal que sale por la tubería 4 cuando el

cilindro retrocede. 8. Dimensiones de los tubos 1, 2, 3, 4.

Dirección flujo PA PB AT BT

J 2 2 4 4 T 4 4 7 8





11.- El molde de una máquina de inyección de plásticos se llena utilizando una baja presión de trabajo (poca fuerza). Entonces el plástico es moldeado posteriormente a alta presión (mayor fuerza). La presión de trabajo se conmuta por medio de una válvula de 2/2 vías accionada por rodillo, una vez que el émbolo ha realizado un cierto recorrido. Las presiones necesarias están establecidas en dos válvulas limitadoras de presión.

Solución:





Datos: F1 = 1200 Kg. El cilindro debe ser de un diámetro inferior a 50 mm. La presión 2 debe ser el doble de la presión 1. La carrera del cilindro es de 50 mm. Se pide:

- Valor de ajuste de las limitadoras de presión sin tener en cuenta la contrapresión. - Caudal de la bomba para que el tiempo de avance sea de 2 segundos.

12.- La secuencia de control para la sujeción y fresado de las aberturas de escape de un motor de motocicleta se realiza utilizando el accionamiento por solenoides. El vástago del cilindro de sujeción avanza cuando se presiona el pulsador "Marcha" y acciona un final de carrera cuando alcanza su posición final delantera. Esta señal actúa a través de los contactos de un relé para conmutar el cilindro de avance. Así que el cilindro de avance alcanza su posición final delantera, es accionado otro final de carrera, iniciando la carrera de retroceso. Cuando el cilindro de avance alcanza su posición de vástago retraído, se acciona de nuevo un final de carrera. Esto inicia la carrera de retorno del cilindro de sujeción. Finalmente, se acciona un tercer final de carrera para cumplir con la condición de partida para un nuevo ciclo de trabajo.





Solución:

La fuerza de amarre es de 5000 N. La longitud del cilindro de amarre es de 150 mm, el tiempo de amarre es de 1,5 segundos. El peso del cabezal es de 350 Kg. La fuerza del cilindro de trabajo es de 4000 N. El tiempo de bajada más rápido es de 5 segundos. La longitud de este segundo cilindro es de 300 mm. Si los cilindros son 2:1, determinar: a.- La presión ajustada en la válvula de retención. b.- Diámetro Akr del cilindro 2A. c.- Diámetro Ak del cilindro 2A. d.- La presión necesaria para mover el cilindro B, presión de trabajo. e.- Determinar el cilindro 1A. f.- Diagrama de caudales. g.- Caudal de la bomba.





13.- Dado el circuito de la figura:

Si la presión del válvula 0.1 es de 30 bar, elegir el cilindro si es 2:1.





14.-

La masa a elevar es de 2500 Kg. como máximo, la longitud del cilindro es de 500 mm. El tiempo para elevar la masa es de 10 segundos. a.- Elegir el cilindro para no tener problemas de pandeo si está amarrado por arriba (ver página siguiente). b.- Determinar la presión ajustada. c.- Determinar el caudal de la bomba.





15.-

El anterior circuito hidráulico se utiliza para que el cilindro realice un avance rápido avance de trabajo de una unidad de taladrado. La fuerza del cilindro es de 4900 N. El avance rápido se realiza durante 150 mm. y el lento durante 100 mm. La presión de trabajo es de 50 bar. Los tiempos son 1 y 2 segundos respectivamente.

- Determinar el cilindro si este es 5:1. - Calcular los caudales de la bomba y la regulación de la válvula 1.3. - Calcular el tiempo de retroceso. - Dibujar el diagrama de velocidades.





16.- Sea el siguiente circuito hidráulico:

Realizar su diagrama de funcionamiento para que entre Fc1 y Fc2 la presión de trabajo sea la mínima.





17.- Sea el siguiente circuito hidráulico.

El cilindro es 2:1 y su carrera es de 300 mm. Q de la bomba = 12 l/min. P de trabajo 60 bar. Calcular: a.- Q por el tubo 1 al avanzar. b.- Q por el tubo 2 al avanzar. c.- Q por el tubo 3 al avanzar. d.- Q por el tubo 4 al avanzar. e.- Velocidad del cilindro al avanzar. f.- Q por el tubo 1 al retroceder. g.- Q por el tubo 2 al retroceder. h.- Q por el tubo 3 al retroceder. i.- Q por el tubo 4 al retroceder. j.- Velocidad de retroceso. k.- Diámetro de las tuberías.

MANUAL DEL ALUMNO - Makina Erremintaren … Hidráulica, conceptos. NOMBRE Y FIRMA DEL PROFESOR...

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