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Sistemas Hidráulicos y Neumáticos 513103008 Departamento de Ingeniería Térmica y de Fluidos

UD1. Introducción a los sistemas de potencia fluida hidráulicos y neumáticos T1. Componentes de los sistemas de potencia fluida. Simbología T2. Fluidos hidráulicos de trabajo. Propiedades. Tratamiento del aire comprimido T3. Bombas de desplazamiento positivo (BDP) y compresores UD2. Sistemas hidráulicos T4. Componentes de sistemas hidráulicos. Válvulas y Actuadores T5. Análisis de circuitos hidráulicos básicos T6. Dimensionado de componentes y cálculos básicos en sistemas hidráulicos UD3. Sistemas neumáticos y redes de aire comprimido T7. Componentes de sistemas neumáticos. Válvulas y Actuadores T8. Análisis de circuitos neumáticos básicos T9. Dimensionado de componentes y cálculos básicos en sistemas neumáticos T10. Diseño y dimensionado de redes de aire comprimido y transporte neumático

Resultados esperados del aprendizaje:

1. Explicar la función que cumplen los componentes básicos de los sistemas de potencia fluida hidráulicos y neumáticos e identificarlos por su representación simbólica según normativa. 2. En sistemas hidráulicos, enumerar las propiedades que debe tener el fluido y seleccionar el más adecuado en función de la aplicación. En sistemas neumáticos y redes de aire comprimido, determinar las necesidades de tratamiento del aire en cuanto a secado, filtración y lubricación en función de la aplicación y explicar en qué consiste cada una de ellas. 3. Seleccionar la bomba de desplazamiento positivo (BDP), o el compresor más adecuado en sistemas hidráulicos o neumáticos respectivamente y explicar su funcionamiento. Así como, los actuadores lineales o rotativos necesarios en cada caso. 4. Dimensionar los componentes básicos de sistemas hidráulicos y neumáticos, tales como, válvulas distribuidoras, actuadores lineales y rotativos, redes de conductos y depósitos. 5. Diseñar y dimensionar redes de aire comprimido utilizando programas comerciales o de libre distribución de utilidad profesional. 6. Analizar y simular el funcionamiento de circuitos hidráulicos y neumáticos mediante la utilización de herramientas y programas informáticos. 7. Proyectar y documentar sistemas hidráulicos y neumáticos integrando los contenidos de toda la asignatura y trabajando en equipo.

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UD2. Sistemas hidráulicos T4. Componentes de sistemas hidráulicos. Válvulas y Actuadores T5. Análisis de circuitos hidráulicos básicos T6. Dimensionado de componentes y cálculos básicos en sistemas hidráulicos En esta Unidad Didáctica se estudian en detalle todos los aspectos relativos al análisis, diseño, dimensionado y proyecto de sistemas hidráulicos. Se estudian las características constructivas y de funcionamiento de todo tipo de componentes utilizados en los sistemas hidráulicos: válvulas reguladoras de caudal, presión, distribuidoras, actuadores lineales y rotativos, depósitos, accesorios, etc. Se analizan también una serie de circuitos hidráulicos básicos para desarrollar funciones simples. Por último, se aplican los conceptos básicos de la Mecánica de Fluidos al dimensionado de componentes y al cálculo de pérdidas, presiones y caudales de funcionamiento necesarios para realizar una determinada acción Los resultados esperados del aprendizaje para esta Unidad Didáctica son:

- Explicar los tipos y la función que cumplen los actuadores lineales o rotativos en los sistemas hidráulicos

- Dimensionar los componentes básicos de sistemas hidráulicos, tales como, válvulas distribuidoras, actuadores lineales y rotativos, redes de conductos y depósitos.

- Analizar y simular el funcionamiento de circuitos hidráulicos mediante la utilización de herramientas y programas informáticos.

- Proyectar y documentar sistemas hidráulicos integrando los contenidos de toda la asignatura y trabajando en equipo.

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T5. Análisis de circuitos hidráulicos básicos 5.1 Introducción 5.2 Circuitos para accionamiento de cilindros de simple y doble efecto 5.2.1 Circuito diferencial 5.2.2 Circuitos de control de la presión 5.2.3 Regulación de la velocidad de avance y retracción 5.2.4 Circuitos secuenciales de accionamiento de cilindros 5.2.5 Circuitos de seguridad 5.3 Circuitos con motores hidráulicos 5.3.1 Transmisiones hidrostáticas 5.4 Circuitos con acumuladores

5.1 Introducción En este tema se analizan como paso previo al T6 de diseño de circuitos, y una vez estudiados los componentes básicos de los sistemas de potencia fluida oleo-hidráulicos, una serie de circuitos básicos a partir de los cuales se pueden diseñar y desarrollar otras aplicaciones o sistemas más complejos por superposición de varios circuitos o funciones simples. 5.2 Circuitos para accionamiento de cilindros de simple y doble efecto En la Figura 5.1 se representan los circuitos básicos para el accionamiento de un cilindro de simple efecto y de doble efecto. Para el accionamiento de un cilindro de simple efecto es suficiente con una válvula distribuidora 3/2, mientras que para accionar un cilindro de doble efecto se necesita una válvula distribuidora 4/2 o 4/3. En este caso ambas válvulas son de accionamiento manual, observándose también la válvula limitadora de presión.

a) b)

Figura 5.1 Circuito de accionamiento de cilindros: a) Cilindro de simple efecto b) Cilindro de doble efecto

En la Figura 5.2 se puede observar un esquema similar con doble válvula limitadora para mantener una presión en el circuito menor de la máxima que puede proporcionar la bomba. La válvula distribuidora es accionada por pulsador y se incluye un filtro en la línea de aspiración. En la posición de reposo de la distribuidora el émbolo se encuentra en retracción al pulsar se realiza la carrera de avance (al soltar el pulsador el émbolo vuelve a la posición de reposo).

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Figura 5.2 Circuito de accionamiento de un cilindro de simple efecto

En la Figura 5.3 se representa un circuito para accionamiento de un cilindro de doble efecto mediante una válvula distribuidora 4/2 de accionamiento por pulsador y centrada por resorte, y doble limitadora de presión como en el caso anterior. En la posición de reposo de la distribuidora se realiza la carrera de avance y al accionar el pulsador se realiza la retracción.

Figura 5.3 Circuito de accionamiento de un cilindro de doble efecto

En la Figura 5.4 se representa un circuito de accionamiento de un cilindro de doble efecto mediante una válvula 4/2 (posición de reposo vástago en retracción) con accionamiento por pulsador manual. Se incorpora en la línea de impulsión una válvula anti-rretorno para impedir flujos inversos en la bomba.

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Figura 5.4 Circuito de accionamiento de un cilindro de doble efecto

con válvula 4/2 y anti-retorno

En la Figura 5.5 se representa un circuito de accionamiento de un cilindro vertical de simple efecto mediante a) Válvula 2/2 y b) Válvula 3/2. La carrera de descenso se realiza por su propio peso y según la presión establecida en la válvula limitadora.

a) b)

Figura 5.5 Circuito de accionamiento de un cilindro de simple efecto vertical: a) Válvula 2/2 b) Válvula 3/2

En la Figura 5.6 se representa un circuito para accionamiento de 2 cilindros de doble efecto mediante sendas válvulas distribuidoras 4/3 accionadas eléctricamente mediante solenoide y centradas por resorte. Se incorporan los siguientes elementos:

- Filtros en las líneas de aspiración y retorno - Intercambiador de calor en la línea de retorno - Válvula de puesta en vacio de la bomba accionada eléctricamente - Válvula reguladora de presión para accionamiento del cilindro horizontal a una presión

inferior a la del cilindro vertical - Anti-retorno pilotado en el descenso del vástago del cilindro vertical para evitar el

descenso incontrolado - Reguladoras de caudal con anti-retorno para controlar el caudal de entrada a ambos

cilindros y regular la velocidad de avance - Sensores finales de carrera para detectar la posición del vástago de ambos cilindros

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Figura 5.6 Circuito de accionamiento de dos cilindros de doble efecto mediante válvulas distribuidoras 4/3

5.2.1 Circuito Diferencial

En la Figura 5.7 se representa el circuito de accionamiento de un cilindro de doble efecto con la peculiaridad de que aún siendo las áreas de extensión y retracción diferentes la velocidad del émbolo en ambas carreras es la misma, ya que para la carrera de retracción el caudal es el de la bomba, pero para la carrera de extensión el caudal es el de la bomba más el caudal de retorno. El caudal de retorno puede sumarse en la válvula distribuidora (posición central) (Figura 5.7 a)) o en la línea de impulsión (Figura 5.7 b)). De esta manera el cilindro puede desplazarse en la carrera de extensión a dos velocidades diferentes, una más lenta para la posición lateral izquierda de la válvula distribuidora y otra más rápida con la distribuidora en posición central , si bien la fuerza que se puede realizar en este caso está limitada a vextensión pAF = .

La velocidad normal del émbolo es,

e

bombaémbolo A

QU =

La velocidad en la posición central de la distribuidora es,

e

)extensión(rbombaémbolo A

QQU

+=

siendo )extensión(rQ el caudal de retorno durante la extensión, que se suma al de la bomba,

ve

)extensión(r

e

extensión

AA

Q

A

Q

−=

SOL5

SOL2SOL1

0.00 Bar

S1

S2

S3 S4

SOL3SOL4

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a) b)

Figura 5.7 Circuito diferencial para accionamiento de un cilindro de doble efecto a) Recirculación en la válvula distribuidora b) Recirculación en la línea de impulsión

5.2.2 Circuitos de control de la presión

En la Figura 5.8 se representa un circuito hidráulico de accionamiento de un cilindro de doble efecto con una doble bomba, una de bajo caudal y alta presión (con una limitadora tarada a alta presión) y otra de gran caudal y baja presión (con otra limitadora tarada a una presión inferior.

Figura 5.8 Circuito hidráulico con doble bomba

En la Figura 5.9 se representa un circuito con válvula de contrapresión para evitar el descenso del vástago en cilindros que han de trabajar en posición vertical. La presión de tarado se puede ajustar en función del peso del vástago con carga y de la presión disponible para el avance.

Figura 5.9 Circuito hidráulico con válvula de contrapresión

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En la Figura 5.10 se representa el circuito de accionamiento de un cilindro vertical con una válvula reguladora de presión de 2 vías combinada con una limitadora de presión en paralelo e independiente de la limitadora principal de la bomba. La válvula reguladora de presión es normalmente abierta y la presión de realimentación se toma aguas abajo que es donde se debe mantener constante la presión. Este montaje de reguladora en paralelo con limitadora se puede sustituir por un regulador de presión de 3 vías, con descarga adicional a depósito en el caso de que la presión del circuito supere un determinado valor (Figura 5.11).

Figura 5.10 Circuito hidráulico con reguladora de presión

Figura 5.11 Circuito hidráulico con reguladora de presión de 3 vías

Con el tornillo de regulación se puede ajustar la presión aguas abajo y mantenerla mediante la realimentación (lateral izquierda) cuando el sentido del flujo es de P a A. La válvula permite también para un determinado valor de la presión conectar A a retorno T (bloqueando la entrada P). A su vez el aceite de la cámara del resorte también se conecta a retorno.

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Figura 5.12 Circuito hidráulico con intensificador de presión

En la Figura 5.12 se representa un circuito con un intensificador de presión. El intensificador de presión es un cilindro con doble émbolo de áreas diferentes, de tal manera que aplicando una presión de entrada en el lado del área mayor ( 1A ) se genera una fuerza 2211 ApApF == que

luego es utilizada para en el lado de menor área ( 2A ) obtener una mayor presión 2p .

En la Figura 5.13 se representa un circuito hidráulico de bloqueo del desplazamiento de un cilindro mediante válvulas anti-retorno con pilotaje. Estas válvulas permiten el flujo en sentido inverso si son pilotadas, por lo que en las posiciones laterales de la válvula distribuidora, tanto para el avance como para el retroceso, la línea de presión correspondiente pilota el anti-retorno de descarga y permite el movimiento del cilindro. Para la posición central de la corredera los anti-retornos no están pilotados y el cilindro está bloqueado

Figura 5.13 Bloqueo de un cilindro mediante válvulas anti-retorno pilotadas

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5.2.3 Regulación de la velocidad de avance y retracción En la Figura 5.14 se representan dos circuitos para el accionamiento de un cilindro de doble efecto con regulación de caudal en la carrera de avance y libre en la retracción mediante la utilización de una reguladora de caudal con anti-retorno que obliga a pasar al fluido por la reguladora en el avance, mientras que en la retracción el caudal de retorno tiene paso libre por el anti-retorno. En la figura 5.14 a) la válvula reguladora con anti-retorno se coloca en la línea de entrada al cilindro y en la Figura 5.14 b) se instala en la línea de retorno. En este caso con la válvula distribuidora 4/2 y la posición de reposo representada en la figura el émbolo quedaría en extensión (salida lenta) y se retraería al actuar sobre la palanca de la válvula. En la Figura 5.15, se ha invertido la posición del anti-retorno con lo que se consigue la regulación de la velocidad en la carrera de retracción.

Figura 5.14 Regulación de la velocidad de avance de un cilindro a) Regulación directa b) Regulación en línea de retorno

Figura 5.15 Regulación de la velocidad de retracción de un cilindro

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5.2.4 Circuito secuenciales de accionamiento de cilindros En la Figura 5.16 se representa un circuito para el accionamiento secuenciado de 2 cilindros de doble efecto utilizando sendas válvulas reguladoras de presión combinadas con válvulas anti-retorno.

Al accionar el pedal izquierdo de la válvula distribuidora el cilindro izquierdo hace directamente la carrera de avance, saliendo el caudal de retorno por el anti-retorno en paralelo con su válvula reguladora de presión (que queda así puenteada), una vez terminada la carrera de avance de este primer cilindro se incrementa la presión y la reguladora del cilindro derecho abre (el flujo directo se impide por el anti-retorno) realizando la carrera de avance este segundo cilindro. Al terminar la presión volvería a aumentar hasta el valor fijado en la limitadora de la bomba. Al accionar ahora el pedal derecho de la válvula, se realizaría la retracción del cilindro derecho en primer lugar y una vez finalizada la carrera se incrementaría la presión hasta el valor de tarado de la reguladora izquierda, dando paso al fluido y haciendo la retracción el cilindro izquierdo. Resumiendo la secuencia sería:

1. Cilindro izquierdo avance 2. Cilindro derecho avance 3. Cilindro derecho retracción 4. Cilindro izquierdo retracción

Figura 5.16 Circuito de secuenciado de cilindros mediante reguladoras de presión

En el circuito representado en la Figura 5.17 se consigue el accionamiento automático del cilindro de doble efecto combinando una válvula distribuidora 4/2 pilotada por las salidas de sendas válvulas limitadoras combinadas con anti-retornos. Para la posición de la distribuidora representada en la Figura 5.17 el cilindro realizaría la carrera de retracción, finalizada la retracción la presión en el lado derecho del circuito aumenta, abre la limitadora y la presión de salida pilota la válvula distribuidora (el pilotaje izquierdo está conectado a retorno y por tanto, despresurizado). En la posición vías cruzadas el cilindro realiza el avance, y al finalizar la carrera se incrementa la presión en el lado izquierdo del circuito, por lo que se abre la limitadora de la izquierda y pilota ahora el lado izquierdo de la distribuidora y se inicia de nuevo el ciclo (el pilotaje derecho está despresurizado).

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Figura 5.17 Circuito de accionamiento automatizado de un cilindro de doble efecto

En el circuito representado en la Figura 5.18 se consigue accionar dos cilindros de doble efecto de forma sincronizada. Con la válvula distribuidora en posición central (tándem mandada mediante solenoide convencional y centrado por resortes) ambos cilindros quedan bloqueados. Al energizar el solenoide superior vías paralelas), tendríamos en el caso de tener conexionados los cilindros como se indica en el esquema superior que ambos cilindros harían avance, pero seguramente no de forma sincronizada, ya que cualquier diferencia de presiones o fuerzas a realizar produciría la actuación de un cilindro primero y posteriormente el otro.

Figura 5.18 Accionamiento sincronizado dos cilindros de doble efecto

En cambio, si la conexión de los cilindros se realiza como se indica en el esquema inferior, es decir, el caudal de retorno del cilindro 1 se aplica a la cámara de entrada del cilindro 2. Hay que tener en cuenta que como el caudal de retorno durante el avance (o extensión) del cilindro 1 es menor que el de avance,

ve

)extensión(r

e

extensión

AA

Q

A

Q

−=

e

veextensión)extensión(r A

AAQQ

−=

Para conseguir la misma velocidad de accionamiento el cilindro 2 tendrá que tener un área menor 1R1p2p AAA −= . Por otra parte como 1p y 2p son diferentes las fuerzas a realizar 1F y

2F también serán diferentes.

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5.2.5 Circuitos de seguridad En la Figura 5.19 se representa el circuito de accionamiento de un cilindro de doble efecto que presenta la peculiaridad de que es controlado por una válvula direccional 4/3 pilotada, y la señal de presión de pilotaje para realizar la carrera de extensión sólo llega a la distribuidora si los dos pulsadores de sendas válvulas manuales 4/2 se mantienen pulsados. Si alguno de los dos pulsadores se suelta el vástago automáticamente hace la retracción debido a la posición de reposos diseñada.

Figura 5.19 Circuito de protección frente a errores del operador

En la Figura 5.20 se representa un circuito de accionamiento de un cilindro de doble efecto con posición retraída en reposo. Para realizar la carrera de avance es necesario pilotar la válvula 1, y para ello hay que pulsar la válvula 2. Al actuar sobre el pulsador de la válvula 2 llega presión al pilotaje de la válvula 1 y se realiza la carrera de extensión, ya que a la vez se pilota el anti-retorno que impide el descenso del émbolo en reposo. A su vez, cuando finaliza la carrera de extensión, aunque se mantenga pulsada la válvula 2 el cilindro realizará la retracción, ya que al aumentar la presión en el circuito (por haber terminado la carrera) la válvula limitadora 4 abrirá y pilotará la válvula 3, descargando la presión del pilotaje de la válvula principal 1.

Figura 5.20 Circuito de protección frente a sobrecargas

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5.2.5 Circuitos divisores de caudal En la Figura 5.21 se representan sendos circuitos en los que se divide el caudal para actuar sobre dos cilindros. En la Figura 5.21 a) el circuito consta de dos válvulas reguladoras de caudal fijas que divide el caudal en función de la estrangulación fijada en cada caso (normalmente la misma). Cuando la fuerza a realizar es la misma permite sincronizar el movimiento de ambos cilindros. En la Figura 5.21 b) se utilizan dos bombas iguales (de igual desplazamiento) accionadas por el mismo o diferente motor (se puede conseguir una división de caudales siempre que el accionamiento sea a la misma velocidad y otros aspectos secundarios, como el caudal de fugas, tolerancias, etc. sean similares).

Figura 5.21 Circuito divisores de caudal. a) Divisor tipo válvula b) Divisor tipo motor

5.3 Circuitos con motores hidráulicos En la Figura 5.22 se representan dos circuitos para el accionamiento de motores hidráulicos. En este caso el trabajo útil consiste en desarrollar un par y potencia útiles manteniendo el régimen de giro constante en el valor requerido. En la Figura 5.22 a) se representa un circuito para accionamiento de un motor hidráulico reversible (puede girar en ambos sentidos) caudal fijo (régimen de giro constante) mediante una válvula distribuidora 4/3 de accionamiento manual, en la que en la posición de reposo el eje del motor queda libre por encontrarse a la misma presión ambas entradas. En el esquema de la Figura 5.22 b) se añade una reguladora de caudal con anti-retorno que permite la regulación del régimen de giro del motor ajustando el caudal impulsado.

a) b)

Figura 5.22 Accionamiento de motores hidráulicos: a) Régimen de giro constante b) Régimen de giro regulable

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Figura 5.23 Accionamiento de motores hidráulicos con sistema de frenado

5.3.1 Transmisión hidrostática Se entiende por transmisión hidrostática el circuito mediante el cual se alimenta un motor hidráulico directamente acoplado entre la entrada y la salida de la bomba. En la Figura 5.24 a) se representa una transmisión hidráulica simple formada por una bomba de desplazamiento variable y un motor hidráulico de un único sentido de giro y desplazamiento fijo. En función del desplazamiento de la bomba se tiene un caudal mayor o menor, y en función del caudal, como el motor es de desplazamiento fijo se tendrá mayor o menor velocidad. En la Figura 5.24 b) se representa una transmisión hidrostática con comba reversible de desplazamiento variable y motor hidráulico reversible de desplazamiento fijo. En estos sistemas el funcionamiento se protege mediante una válvula limitadora de presión conectada entre la entrada y la salida del motor y un filtro de entrada. En sistemas reversibles, (Figura 5.24 b) ) se deben instalar válvulas limitadoras para ambos sentidos de giro y válvulas anti-retorno para cuando deba entrar en funcionamiento la bomba de rellenado, ya que al tratarse de un circuito cerrado hay que reponer las fugas.

Figura 5.24 Transmisiones hidrostáticas

5.4 Circuitos con acumuladores

En el esquema de la Figura 5.25 se representa un circuito en el que se utiliza un acumulador hidráulico como fuente de energía auxiliar ante un fallo de la bomba. El acumulador se llena a través del anti-retorno y se descarga a través de la válvula reguladora de caudal. Se puede descargar a depósito mediante una válvula 2/2 accionada por pedal.

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Figura 5.25 Fuente de energía auxiliar

Los acumuladores también se pueden utilizar para amortiguar las posibles pulsaciones de presión en un sistema debido al cierre de las válvulas distribuidoras. En la Figura 5.26 se representa un esquema en el que se utiliza un acumulador con este fin. También se pueden utilizar como sistemas de frenado en circuitos con motores hidráulicos reversibles (Figura 5.27).

Figura 5.26 Amortiguación de fluctuaciones de presión

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Figura 5.27 Frenado de motores hidráulicos reversibles

También se pueden utilizar acumuladores de aire en circuitos hidráulicos. En la Figura 5.28 a) se utiliza un acumulador aire/aceite (alimentado por una fuente de aire comprimido) para accionar un cilindro de simple efecto. En la Figura 5.28 b) se utilizan dos acumuladores aire/aceite junto con un cilindro intensificador de presión para accionar un cilindro de doble efecto.

a)

b)

Figura 5.28 Acumuladores de aire

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Cuestiones:

1) Analizar y explicar el funcionamiento de circuitos hidráulicos básicos Referencias bibliográficas: Bibliografía básica Apuntes de la asignatura Roca Ravell, F.: Oleohidráulica básica. Diseño de circuitos. 1ª Ed. Barcelona, Servicio de publicaciones de la Universidad Politécnica de Cataluña, 1997 Neumática e hidráulica. A. Creus Solé. 1ª Edición Ed. Marcombo, 2007 Manual de aire comprimido. Edición 2011. Atlas Copco Bibliografía complementaria Manuales de hidráulica y neumática. FESTO Oleohidráulica. A. Serrano Nicolás. 1ª Ed. McGraw Hill 2002 Prontuarios de Hidráulica y Neumática Industrial. J. Roldán Viloria. 1ª Ed. Paraninfo 2001 Fluid Power with Applications. A. Esposito. 4th Ed. Prentice Hall Int. 1997 Recursos en red y otros recursos Aula virtual de la asignatura: http://moodle.upct.es: Enlaces a páginas web, presentaciones visuales, otros recursos de utilidad para resolución de ejercicios y problemas Manual de Prácticas de Laboratorio (Aula virtual) Normativa UNE 101149. Simbología (Servicio de documentación) Catálogos comerciales de componentes FESTO, VOLVO, DANFOSS, HIMATRA, etc. Training hidráulico. Volumen 1. Mannesmann Rexroth