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2 Camilo H. Rueda
TABLA DE CONTENIDO
♦ INTRODUCCION A LA OLEOHIDRAULICA 4
• Sistemas de Transmisión de Potencia 6
∗ Hidrostática 10
∗ Elementos de un Sistema Hidráulico 17
∗ ACTUADORES 22 ∗ Cilindros Hidráulicos 23 ∗ De Simple Efecto 24 ∗ De Doble Efecto 27 ∗ Motores Hidráulicos 34 ∗ De Engranajes 35 ∗ De Paletas 38 ∗ De Pistones 41 ♦ IMPULSORES 45 ∗ Bombas 46 ∗ De engranajes 46 ∗ De Paletas 48 ∗ De Pistones 54 ∗ Acumuladores 59 ∗ Multiplicadores de Presión 62 ♦ VALVULAS 64 ∗ Válvulas de Retención 65 ∗ Válvulas Direccionales 67
∗ Válvulas Direccionales Proporcionales 78
∗ Controles de Presión 81
∗ Válvulas de Alivio 82
∗ Válvulas de Secuencia 84
∗ Válvulas de Contrabalance 86
∗ Válvulas de Descarga 88
∗ Válvulas Reductoras de Presión 90
∗ Válvulas de Alivio-Descarga 91
∗ Válvulas Proporcionales de presión 92
∗ Controles de Caudal 93
∗ No Compensados o Simples 95
∗ Compensados 96
∗ Proporcionales 97
♦ CIRCUITOS TIPICOS 100
∗ Circuito simple, 1 actuador 100
∗ Sistemas de Alta y Baja 100
∗ Circuito Regenerativo 104
∗ Circuito con varias direccionales 106
∗ Hidrotransmision 107
∗ Circuito para prensa de vulcanizado 109
♦ ACCESORIOS 110
3 33
3 Camilo H. Rueda
PROLOGO
La hidráulica es una de las ramas de la Ingeniería, que como muchas otras han venido desarrollando grandemente en las ultimas décadas y se ha venido convirtiendo en una herramienta cada vez más importante para los diseñadores de maquinas o profesionales trabajadores del ramo.
Desde hace muchos siglos se uso la hidráulica para trasmitir potencia, aprovechando la energía del agua en una corriente para mover una rueda, que a su vez tomaba esa agua y la levantaba para poder transportarla y usarla para riego y otras cosas. El uso del fluido ba-jo presión para transmitir potencia y controlar movimientos compleba-jos, es mas reciente. En el siglo pasado, durante la revolución industrial en Inglaterra, se empezó a utilizar agua confinada a alta presión para transmitir potencia y desde entonces su uso se ha venido ge-neralizando cada vez más
Un fluido confinado es uno de los medios más versátiles para modificar y controlar movi-mientos y transmitir potencia. Es tan resistente como el acero y, además, infinitamente flexi-ble. Cambia de forma para adaptarse al cuerpo que resiste su empuje, se puede dividir en partes, cada parte haciendo el trabajo a su medida y puede ser reunido para que trabaje en conjunto. Las leyes que lo manejen son iguales o más sencillas que otras leyes de la mecá-nica o la electricidad y, sin embargo, hay una falta grande de orientación en este campo, lo cual hace que muchas personas no puedan gozar de los beneficios que ofrecen los siste-mas hidráulicos.
Por esta razón he querido elaborar esta guía general sobre las posibilidades que se pueden tener en cuenta con los distintos elementos que podrían intervenir en un sistema hidráulico, sin pretender que esta sea la información mas profunda y completa que haya sobre este te-ma tan extenso.
Se tratara de explicar de la manera mas clara y sencilla posible, la forma como trabajan al-gunos de los elementos más comunes que conforman cualquier sistema hidráulico, sin dis-tingo de marcas o tipos, ya que la estandarización es alta hoy en día.
También se darán algunas pautas para el diseño de un circuito hidráulico. sobre todo con el fin de hacer comprender mejor la forma como trabajan los sistemas existentes
Finalmente se tendrán algunas recomendaciones sobre como mantener en optimas condi-ciones un sistema hidráulico
4 44
4 Camilo H. Rueda
INTRODUCCION A LA OLEOHIDRAULICA
La óleo hidráulica se puede definir como la rama de la ingeniería mecánica que estudia el uso de fluidos incomprensibles (en este caso aceita y por esto el prefijo “óleo”), confinados y bajo presión, para transmitir potencia.
En este capitulo se introducirán los elementos básicos que componen un sistema hidráulico y se estudiarán las leyes que determinan su comportamiento.
Las siguientes son algunas de las representaciones que se utilizarán para los diferentes com-ponentes de los sistemas hidráulicos.
BOMBA
CILINDRO
TANQUE
VALVULA DIRECCIONAL
5 55
5 Camilo H. Rueda
Estos son ejemplos de algunas de las maquinas en las que vemos la hidráulica aplicada hoy en día. Sus usos son tan diversos que es inconmensurable la variedad de opciones.
El gato hidráulico, elemento que aunque su principio de funciona-miento es extremadamente simple , es muy versátil y confiable, además de ser indispensable para cualquier labor de mantenimiento mecánico.
La Inyectora de plástico, usada para inyectar plástico derre-tido en un molde y obtener así miles de elementos tales como vasos, tanques, platos, partes para autos, etc.
La prensa hidráulica, una de las maquinas mas usadas en la in-dustria, para embutir, cortar, doblar, perforar, toda clase de meta-les. Capaces de desarrollar fuerzas tan bajas como 5 toneladas ra operaciones pequeñas, y tan grandes como 2.000 ton. Como pa-ra cortar laminas de acero de gpa-ran calibre en acerías.
La excavadora hidráulica, maquina utilizada en la remoción de tie-rra para construir carreteras, edificaciones, etc. Maquina muy pode-rosa y versátil. Esta maquina pertenece a un segmento del mercado llamado “móvil” por su capacidad de moverse o desplazarse por si misma. Se caracteriza por tener un sistema hidráulico complejo.
La retroexcavadora o backhoe, maquina de tipo móvil, que cum-ple la misma función de la excavadora pero tiene pala adelante para arrastrar.
Donde quiera que vayamos veremos equipos hidráulicos trabajan-do.
6 66
6 Camilo H. Rueda
SISTEMAS DE TRANSMISIÓN DE POTENCIA
Existen diferentes tipos de sistemas de transmisión de potencia, como por ejemplo.
-SISTEMAS ELECTRICOS
-SISTEMAS MECANICOS
-SISTEMAS NEUMATICOS
-SISTEMAS HIDRAULICOS
o combinaciones de estos, pero todos tienen características similares.
Todos tienen una entrada que normalmente consiste en una fuente con movimiento rotacional de velocidad constante o variable y que proporciona un toque que es variable y depende de la demanda del sistema.
♦ La carga o salida del sistema puede tener dos formas básicas:
• Se puede necesitar mover una carga lineal, que requiere de una fuerza constante o va-riable a una velocidad determinada, que también puede ser vava-riable o constante.
• También se puede requerir mover una carga rotacional con un torque constante o varia-ble, a una velocidad angular, también constante o variable.
Todos tienen una conformación parecida, que se puede dividir en los siguientes tres grupos: • ENTRADA. Se tiene un transductor de entrada, que convierte la energía de la fuente en
la energía que va a usar el sistema para transmitir (Vg.: eléctrica, mecánica, hidráulica, etc.).
• SALIDA Existe igualmente, un transductor de salida, que convierte la energía propia del sistema en la energía que requiere la carga.
• ELEMENTOS DE CONTROL Para poder aprovechar al máximo la energía de la fuente y
para poder adecuarse lo mejor posible a la carga es indispensable tener la posibilidad de controlar los niveles de energía del sistema y la ruta de la energía dentro del sistema en cada momento del ciclo de la carga
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7 Camilo H. Rueda
En el uso de un sistema eléctrico de transmisión de energía eléctrica, es necesario manejar la corriente y el voltaje. Si es para llevar energía eléctrica a través de grandes distancias, el volta-je debe ser alto para que la corriente sea baja y las perdidas sean menores. Pero ya para apli-carle esta energía por ejemplo, al motor de un electrodoméstico, se debe bajar el voltaje al re-querimiento que esta último y la corriente dependerá de la potencia que necesite para efectuar el trabajo para el que fue diseñado.
En un sistema mecánico, se utilizan elementos mecánicos, tales como piñones, ejes, roda-mientos, etc. Para trasmitir el movimiento, se puede tener control sobre la velocidad y el torque o la fuerza de acuerdo a las necesidades. Este es unos de los sistemas de transmisión mas generalizado, en los últimos tiempos.
En un sistema neumático, se utiliza aire comprimido como medio de transmisión de movimien-to, se puede tener control sobre la fuerza ejercida manejando la presión del aire. Y se puede tener control de la velocidad del movimiento de salida, controlando el caudal de aire que fluye a través del sistema.
En un sistema hidráulico, es necesario poder controlar el nivel de energía potencial en el siste-ma, por medio del control de la presión del fluido, también la energía cinética, controlando la cantidad del fluido en el sistema por unidad de tiempo, es decir, el caudal. Adicionalmente, controlar la dirección del fluido en el sistema.
Gráficamente se tendría algo como lo que se muestra en la figura 1
Figura 1. Sistemas de transmisión de potencia
Primero esta la fuente, que como se dijo, puede producir un torque a una determinada veloci-dad y que esta conectada con el transductor de entrada del sistema. Luego los elementos de control, que manejan los niveles de energía dentro del sistema y que le entregan al transductor de salida, una potencia que depende de la carga a la que está conectado.
En un sistema eléctrico, el transductor de entrada puede ser un gene-rador de corriente, el control se hace con transformadores que au-mentan o disminuyen el voltaje, o de controles de frecuencia y el
ENTRADA
MOTORES ELECTRICOS MOTORES A GASOLINA TURBINAS DE GAS MOTORES HIDRAULICOS MOTONES DE AIRESISTEMA DE
TRANSMISION
ELECTRICOS HIDRAULICOS MECANICOS NEUMATICOS CONBINACIONES DE LOS ANTERIORESSALIDA
FUERZA LINEAL TORQUE MOVIMIENTO LINEAL O ROTATIVO8 88
8 Camilo H. Rueda
transductor de salida de un motor eléctrico que da un torque a una velocidad angular, o un so-lenoide que da una fuerza a una velocidad lineal. El medio que sirve para la transmisión está conformado por líneas de cables conductores de electricidad.
En un sistema mecánico, el transductor de entrada puede ser una polea o un piñón, el control se puede hacer cambiando el ancho de la polea para aumentar o disminuir su diámetro, o usando una se-rie de piñones de diferentes diámetros los cuales se usarían en di-ferentes momentos de un ciclo, según las necesidades de carga. El transductor de salida puede ser también una polea o un piñón, un eje, un convertidor de torque etc. El medio de transductor son correas, cadenas, palancas, etc.
En un sistema hidráulico el transductor de entrada es una bom-ba que envía una cantidad determinada de aceite, que puede ser constate o varia con el tiempo. El control se hace a través de elementos que restringen la cantidad de aceite que circula en el sistema, otros que regulan las presiones máximas y otros que llevan el aceite a un punto u otro del sistema de acuerdo con el ciclo de carga. El transductor de salida puede ser un actuador hidráulico lineal (cilindro hidráulico), que genera una fuerza a una velocidad lineal o un actuador hidráulico rotacional (motor hidráulico) que genera un torque a una velocidad angular. El medio de transmisión es el fluido (generalmente aceite mineral) que se mueve a través de tuberías de alta presión.
En la figura 2 se ve como un sistema de transmisión hidráulico está compuesto. La entrada de potencia que se acopla a la bomba que es el elemento que la recibe. La bomba la entrega a las válvulas por medio del aceite o fluido de transmisión y éstas se la entregan a los actuado-res que pueden ser motoactuado-res hidráulicos o cilindros.
Figura 2. Como se transmite la potencia hidráulica.
En la figura 3 se ilustra un sistema básico de transmisión de potencia hidráulica. La curva en la parte inferior de la figura, indica el nivel de energía en el sistema: La fuente es un motor que mueve la bomba de caudal fijo y le suministra una cantidad de energía que depende de la car-ga. La bomba succiona aceite de un tanque, lo cual representa un trabajo para ella, por esto la curva se inicia debajo del nivel cero de energía.
BOMBA VALVULAS ACTUADOR
RPM TORQUE MOVIMIENTO FUERZA PRESION FLUJO PRESION FLUJO
9 99
9 Camilo H. Rueda
Figura 3. Sistema Hidráulico de Transmisión de Potencia.
Luego dependiendo del nivel de carga, la curva llega a un punto que es la suma de esta carga con la energía que se pierde en cada uno de los elementos y la tubería del sistema. En la figu-ra 4 se pueden ver los diferentes niveles de energía y las ineficiencias genefigu-radas por cada componente del sistema hidráulico.
Figura 4. Niveles de energía e ineficiencias. HP
INEFICIENCIA
ENTRADA BOMBA DIRECCIONALES ALIVIO ACTUADORES MAQUINA VALVULA DIRECCIONAL
VALVULA DE ALIVIO
BOMBA
10 10 10
10 Camilo H. Rueda
HIDROSTATICA
Una de las primeras aplicaciones que se hicieron de un fluido confinado bajo presión y se co-noce como “palanca hidráulica” (fig. 5). Esta consta de dos cilindros de diferentes diámetros que están comunicados entre sí y tienen un fluido. Al cilindro de diámetro pequeño se le intro-duce un pistón, del mismo diámetro, que sostiene una carga determinada y al cilindro grande también se le introduce un pistón de su mismo diámetro sosteniendo otra carga.
Figura 5. Palanca Hidráulica
Si el área del cilindro grande es diez veces mayor que la del pequeño, la carga que se requiere en el cilindro grande es diez veces mayor que la del pequeño para que el sistema esté en equilibrio.
Pero al mover el pistón del cilindro pequeño una distancia de 10 “, el pistón en el cilindro gran-de solo sale 1”. Lo que se gana en fuerza se piergran-de en gran-desplazamiento igual a como sucegran-de en una palanca mecánica.
Este efecto es resultado de la ley que rige la hidrostática, la ley de pascal que dice:
“LA PRESION APLICADA A UN FLUIDO CONFINADO SE TRANSMITE SIN DISMINUCION DE FUERZA EN TODAS DIRECCIONES Y ACTUA CON FUERZA IGUAL Y EN AREAS IGUALES EN ANGULOS CORRESPONDIENTES”
Un “"Fluido confinado” simplemente es un fluido que está aislado del exterior, es decir, de la presión atmosférica. En el caso que nos interesa, consideramos a este fluido aceite hidráulico,
11 11 11
11 Camilo H. Rueda
que tiene ciertas características especiales que veremos mas adelante y es prácticamente incomprensible. En realidad, si tenemos un determinado volumen de aceite, por ejemplo, 100 galones, lo colocamos en un recipiente cerrado y lo comprimimos de alguna forma, pasando de 0 PSI (libras por pulgada cuadrada) a 1000 PSI entonces el volumen se habrá disminuido en 0.5%, es decir, ya no habrá 100 galones sino 95.5 y por cada 100 psi adicionales, el volu-men disminuirá otro 0.5%
La presión se define como fuerza por unidad de área y se consigue comprimiendo el aceite. A mayor compresión mayor disminución de volumen y mayor presión. En el caso del “gato” a medida que se envía más aceite hacia el cilindro de “levante” éste se desplaza más y cuando empieza a levantar la carga y por lo tanto a requerir hacer fuerza, el aceite se va comprimien-do hasta que alcanza la presión necesaria para que, actuancomprimien-do sobre el área del cilindro, ge-nere la fuerza suficiente para desplazar la carga.
Esta presión sólo depende de la fuerza que debe hacer el cilindro y el área del mismo. Ella se transmite al cilindro pequeño pero como su área es menor la fuerza que es necesario aplicar-le es igual a la carga dividido por la relación que hay entre el área del cilindro grande y la del pequeño
Un sistema hidráulico muy común es el del “gato” hidráulico que se usa para levantar auto-motores u otros objetos pesados. Como se ve en la figura 6 éste consta de una bomba ma-nual que succiona o ”chupa” aceite de un recipiente y lo envía hacia un actuador hidráulico lineal o cilindro hidráulico.
En el “Gato” hidráulico el pistón que sirve de bomba es más pequeño que el que se usa para levantar la carga. De esta manera se logra levantar objetos pesados con una fuerza no muy grande, pero es necesario desplazar varias veces el pistón que sirve de bomba para que haya un desplazamiento apreciable de la carga.
La figura 7 muestra una secuencia que describe el funcionamiento de un “gato” hidráulico Figura 6. Gato hidráulico
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12 Camilo H. Rueda
Figura 7. Funcionamiento de un “Gato” Hidráulico
Hasta ahora no hemos hablado de la cantidad de aceite involucrado. Si en lugar de una bomba manual se le coloca a este gato una bomba automática que envía un flujo continuo, se ob-tendrá un desplazamiento también continuo del cilindro de “levante”
Figura 8. “Gato” con bomba continua.
La rapidez con que ocurra este desplazamiento va a depender de la cantidad de aceite que envíe la bomba, es decir, del caudal.
MOTOR
CILINDRO
BOMBA
TANQUE
SUCCION SUBIDA DE CARGA RETORNO
ENTRADA SALIDA ENTRADA SALIDA ENTRADA SALIDA
13 13 13
13 Camilo H. Rueda
El caudal es el volumen de aceite por unidad de tiempo normalmente expresado en Galones por Minuto (GPM). Si por ejemplo el cilindro del gato tiene un área efectiva de 3 in cuadradas y un recorrido de 9” como se muestra en la figura 8 y la bomba envía un galón (231 in cúbicas) por minuto, el cilindro se demorará aproximadamente 7 segundos.
Si la carga que tiene que levantar el cilindro es de 1500 lbf (libra-fuerza), la presión a la que tiene que llegar el aceite deberá ser de 500 libras por pulgada cuadrada (PSI) para lo cual de-berán haber, al final del recorrido, 0.0675 in3 adicionales de aceite, es decir, 0,25% más:
V Q = t 0.117 min V t= Q 3 in 2 2 2 2 = X 9 in in 231 min = = 7 seg. Volumen adicional= V x 0.5% x P 1000 psi 3 in2222 x 9 in x 0.5% 500 psi 1000 psi = 27 in 3 3 3 3 x 0.25% = =0.0675 in3333 MOTOR 800 psi 8000 lbs 10 in2 10 GPM MOTOR 800 psi 8000 lbs 10 in2 10 GPM SI 9 1/2" GPM SE FUGAN A
TRAVES DEL PISTON DAÑADO LA PRESION ES IGUAL A : 10 IN22 22 8000 LBS A F = = 800 psi
Figura 9. No hay fugas en el sistema. Figura 10. Aún cuando hay una fuga grande el pistón sube la carga.
14 14 14
14 Camilo H. Rueda
Suponiendo que en este cilindro se presentara una fuga de aceite, por lo cual se perdieran 9 1/2 GPM de los 10 que envía la bomba, es decir, medio galón por minuto para subir la carga, como se ve en la figura 10 todavía habría suficiente aceite para adicionar ese 1/2 requerido para llegar y mantener la presión de 800 PSI necesaria para levantar la carga aunque como se está quedando solo con el 5% del caudal, el desplazamiento se hará al 5% de la velocidad. Aprovechando esto, se puede ocasionar una fuga “deliberada” con el fin de poder disminuir la velocidad de desplazamiento de un cilindro o un actuador hidráulico, desde un máximo que está determinado por caudal el total de la bomba.
Como se muestra en la figura 11 al ir res-tringiendo el paso de un caudal de aceite, éste se empieza a comprimir antes de la restricción originando un aumento de pre-sión en esta zona y generando lo que se conoce como “caída de presión”.
Mientras mayor sea la restricción, mayor será la caída de presión, y si se cierra del todo el aceite se comprimirá hasta que la fuerza ejercida por la presión dañe la bomba o la tubería o hasta que se abra una válvula de seguridad o de alivio colo-cada entre la bomba y la restricción y gra-duada a una presión máxima determinada
Con esta combinación de restricción y válvula limitadora de la presión, se pude dejar la fuga “deliberada” mencionada an-teriormente. Lo que se hace es que se coloca una restricción y un control de pre-sión de tal forma, que no todo el aceite que viene de la bomba va al cilindro o ac-tuador
En resumen se tienen dos conceptos importantes:
♦ La Presión. Que es fuerza por unidad de área y que se logra por la
resisten-cia que haya en el aceite y que lo comprime.
♦ El Caudal, que es el volumen de aceite por unidad de tiempo y que depende
de la bomba.
La relación entre los dos es la "caída de presión" que se genera por el paso de un caudal a través de una restricción.
Existe otra relación entre la presión y el caudal y es la que puede obtener expresando la po-tencia requerida en un sistema hidráulico con base en las dos.
MOTOR 10 GPM
1 0 i n
2
Figura 11. Caída de presión limitada por la valvula de alivio LA RESTRICCÓN LIMITA EL CAUDAL A 5 GPM E L A C T U A D O R SOLO RECIBE 5 GPM Y AVANZA A LA M ITAD D E LA VELOCIDAD EL EXCESO DE 5 G P M E S D E S V I AD O A TRAVES DE LA V ALV U LA D E V Q = t F P = A
15 15 15
15 Camilo H. Rueda
La potencia es el trabajo hecho por unidad de tiempo. El trabajo es la fuerza por distancia, así que la potencia se puede expresar como fuerza por distancia sobre tiempo.
En un sistema hidráulico, la fuerza está relacionada con la presión y la velocidad con el caudal, así que se puede expresar la potencia como una relación de la presión y el caudal. Así que:
Como un galón = 231 in3 y 12 in = 1 pie,
Que es la potencia necesaria para tener en un sistema hidráulico un GPM a un PSI de presión. Como un HP = 33000 libras-pie / minuto entonces:
Es decir, que por cada GPM y por cada PSI que se requieran en un sistema, se necesitan 0.000583 HP
Tomando en cuenta la eficiencia del sistema que es el 80% aproximadamente, la potencia de entrada requerida en un sistema se puede calcular con la siguiente expresión:
FUERZA x DISTANCIA TIEMPO
POTENCIA = = FUERZA x VELOCIDAD
POTENCIA = CAUDAL (GPM) x PRESION (psi)
POTENCIA = GALONES MINUTO x 231 IN3333 GALON x LIBRAS IN2222 x PIE 12 IN POTENCIA = 19.25 LIBRAS-PIE MINUTO POTENCIA = 19.25 33000 HP = 0.000583 HP
POTENCIA (HP)= CAUDAL (GPM) x PRESION (psi) x 0.000583
16 16 16
16 Camilo H. Rueda
Ejemplo 1
Se tiene un sistema de las siguientes características: ◊ Diametro del cilindro 5 in
◊ Carrera de cilindro 8 in
◊ Tamaño de carga 9 toneladas
◊ Velocidad máxima subiendo: 1 in/s
Calcule la presión, el caudal y la potencia del sistema.
Para convertir de toneladas a libras multiplicamos por 2205, por lo que la fuerza es de:
El área efectiva del cilindro es de:
Por lo tanto la presión que será necesario generar para levantar la carga esta dada por:
El caudal necesario será:
Para expresarlo en GPM se divide por 231 in3/Galón y se multiplica por 60 Seg./Min. :
La potencia requerida para tener un sistema con estas características será Potencia de entrada=5 GPM x 1011 PSI x 0.0007 =3.6 HP
Lbs Ton F = 9 Ton x 2205 = 19845 Lbs D22 22 4 A = p x =19.63 in3333 IN SEG Q = V x A = 1 x 19.63 IN2222=19.63 IN33 33 SEG 19.63 231 Q = = 5 GPM IN3333 SEG IN3333 GALON x 60 SEG MIN F A P = 19845 LBS =1011 PSI 19.63 IN2222 =
17 17 17
17 Camilo H. Rueda
ELEMENTOS DE UN SISTEMA HIDRÁULICO
Se han mencionado ya algunos de los elementos que componen un sistema hidráulico, con la bomba y el cilindro hidráulico que son los transductores de entrada y de salida del sistema. También se ha mencionado la válvula de alivio, que regula la presión máxima, y la restricción que sirve para regular el caudal. También existe un control para poder hacer que el cilindro se mueva empujando el vástago hacia fuera o que lo hale haciéndolo entrar. Este es un control "direccional”, que completaría un sistema sencillo, como se ven en la figura 12 y que puede ser el que sirva para resolver el problema planteado al final del apartado anterior.
Figura 12. Sistema hidráulico empujando la carga de 9 toneladas a una velocidad de 1 in/seg.
MOTOR 10 GPM 9 Ton CILINDRO DE 5” DE DIAMETRO POSICION DE BAJADA POSICION DE SUBIDA VALVULA DE ALIVIO MOTOR ELECTRICO DE 3.5 HP BOMBA DE 5 GPM
18 18 18
18 Camilo H. Rueda
19 19 19 19 Camilo H. Rueda PALANCA PEDAL RUEDA DETENTE COMPENSADOR SOLENOIDE SERVOMOTOR PRESION PILOTO CONTROL DE FLUJO COM-PENSADO CON CHECK DIRECCIONAL 2 VIAS/2 POS DIRECCIONAL 3 VIAS/2 POS DIRECCIONAL 4 VIAS/2 POS 2 VIAS/3 POS C. CERRADO 2 VIAS/3 POS C. ABIERTO 2 VIAS/3 POS C. CERRADO PROPORCIONAL CHECK DE BOLA ALIVIO REDUCTORA DE PRESION CONTROL DE FLUJO
20 20 20
20 Camilo H. Rueda
PREGUNTAS 1. En un sistema hidráulico, que hacen:
-El transductor de entrada -El transductor de salida -Los elementos de control
2 ¿Qué ventajas cree usted que tenga un sistema hidráulico sobre un eléctrico o un mecánico? 3 ¿Qué ventajas tiene el uso del aceite como fluido, sobre el uso de otros líquidos inclusive mas baratos como agua por ejemplo?
4 ¿Qué características deben tener los pistones de un gato hidráulico para que la fuerza ejerci-da por el operario sea menor que la carga que debe levantar?
¿Cómo se compensa esta fuerza menor, para que el trabajo total se conserve?
5 ¿ Porque es tan importante la presencia de por lo menos una válvula de alivio en todo siste-ma hidráulico?
EJERCICIOS
1. Una bomba de 2 GPM se utiliza para llenar un cilindro de 6 in de diámetro y 12 in de longi-tud, ¿Cuanto tiempo tardará?
2. El cilindro mostrado tiene un diámetro de 5 pulgadas y sostiene una carga de 20 toneladas a una altura de 12 pulgadas.
a)¿Cuánto subirá el pistón si se retira la carga? b)¿Cuánto bajara si la carga se duplica?
(Suponga que la masa del pistón es despreciable)
3. Se desea mover una carga de 7 toneladas con un cilindro de 3,5 in de diámetro. El recorrido de 12 pulgadas debe completarse en menos de un minuto
a)¿A cuanto subirá la presión en el sistema?
b)¿Que caudal debe enviar la bomba como mínimo para lograr esto?
4 El cilindro mostrado debe levantar la carga de 50 toneladas a una altura de 8 pulgadas sobre su nivel actual. Encuentre la presión (en PSI) y el volumen adicional de aceite que habrá en el cilindro (en galones), si el diámetro del cilindro es:
a) 5 Pulgadas b)8 Pulgadas c)10 Pulgadas
¿Debe tenerse en cuenta la compresibilidad de aceite para calcular el volumen adicional?
20 Ton
21 21 21
21 Camilo H. Rueda
5 Un cilindro de 5 pulgadas de diámetro mueve una carga de 25 toneladas. El recorrido total es de 11 pulgadas y se realiza en 8 segundos.
a)¿Cuál es la presión del aceite en el cilindro? b)¿ Que caudal entra al cilindro?
22 22 22
22 Camilo H. Rueda
ACTUADORES
Los actuadores son los elementos del sistema que utilizamos para convertir la energía almace-nada en el fluido en un trabajo, es decir, los transductores de salida del sistema.
Lo actuadores hidráulicos se clasifican de la siguiente manera: ◊ De Movimiento Rectilíneo o Cilindros Hidráulicos. 1 De simple efecto 2 De doble efecto A Vástago sencillo B Vástago doble ◊ De movimiento rotativo 1 Unidireccionales 2 Bidireccionales
23 23 23
23 Camilo H. Rueda
CILINDROS HIDRAULICOS
Como se vio en el capitulo anterior, por definición la presión se puede determinar con la si-guiente expresión:
El caudal se puede determinar como:
Si se trabaja la fuerza en libras y el área efectiva del pistón en el cilindro, en in2, entonces:
Si se tiene la presión y se desea saber la fuerza que desarrollará un determinado cilindro, en-tonces:
Sí la velocidad está en in/seg. y el área es in2 y se quiere el caudal en GPM, entonces:
Si lo que se tiene es el caudal y se quiere encontrar la velocidad de un determinado cilindro, entonces: P = F A Q = V x A Fuerza (lbs) Area (in2222) Presión (psi) =
Fuerza (lbs) = Presión (psi) x Area (in2222)
Area (in2)2) 2)2) Velocidad in seg =Caudal (GPM) x 3.85 x 3.85 Caudal (GPM) = Area (in2222)))) Velocidad in seg in seg ) x Caudal (GPM) = Area (in2222) x Velocidad (
in3333 gal seg min 60 231
24 24 24
24 Camilo H. Rueda
CILINDROS DE SIMPLE EFECTO
Los cilindros de simple efecto constan de un tubo cerrado en uno de sus lados dentro del cual va un émbolo o vástago que se desliza hacia dentro o hacia fuera. Entre los dos existe un buje que sirve de guía y unos empaques que no permiten que el aceite salga. No tienen sino una sola cámara y el área sobre la que actúa la presión, es el área del vástago.
En la figura 13 se muestra un cilindro de simple efecto.
Figura 13. Cilindro Hidráulico de simple efecto
Dado que no tienen sino una cámara, al introducir el aceite el vástago saldrá, pero no será po-sible hacer que el vástago retorne, sino solo usando una fuerza externa.
En la figuras 14,15 y 16 hay tres tablas con las que se pueden hallar presiones y caudales o fuerzas y velocidades, para cilindros de diferentes diámetro o áreas. Por ejemplo, si se desea saber la fuerza que haría un cilindro de 4 in de diámetro, con una presión en el sistema de 500 PSI. miramos en la tabla en la columna de la izquierda, seleccionamos el primer 4”, miramos en la fila superior seleccionando 500 psi en ‘fuerza saliendo’ y en la intersección entre la co-lumna de 500 psi y la fila de 4”, vemos el valor de 2.85 ton. Hacemos lo mismo para saber las velocidades saliendo y entrando.
DE LA BOMBA CARGA SUBIDA AL TANQUE BAJADA CARGA
25 25 25
25 Camilo H. Rueda
Figura 14. Tabla de fuerzas y presiones en cilindros hidráulicos.
Figura 15. Tabla de velocidades y caudales con el vástago saliendo.
PISTON VASTA GO CAUDAL EN GPM VASTAGO SALIENDO IN IN 0.5 1 2 3 4 5 10 15 20 30 40 50 60 70 80 90 1.5 0.625 1.09 2.18 4.36 6.53 8.71 10.89 21.78 32.67 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40 1.5 0.75 1.09 2.18 4.36 6.53 8.71 10.89 21.78 32.67 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40 2 1 0.61 1.23 2.45 3.68 4.90 6.13 12.25 18.38 24.50 36.75 >40 >40 >40 >40 >40 >40 2 1.375 0.61 1.23 2.45 3.68 4.90 6.13 12.25 18.38 24.50 36.75 >40 >40 >40 >40 >40 >40 2.5 1 0.39 0.78 1.57 2.35 3.14 3.92 7.84 11.76 15.68 23.52 31.36 39.20 >40 >40 >40 >40 2.5 1.375 0.39 0.78 1.57 2.35 3.14 3.92 7.84 11.76 15.68 23.52 31.36 39.20 >40 >40 >40 >40 2.5 1.75 0.39 0.78 1.57 2.35 3.14 3.92 7.84 11.76 15.68 23.52 31.36 39.20 >40 >40 >40 >40 3.25 1.375 0.23 0.46 0.93 1.39 1.86 2.32 4.64 6.96 9.28 13.92 18.56 23.20 27.83 32.47 37.11 >40 3.25 1.75 0.23 0.46 0.93 1.39 1.86 2.32 4.64 6.96 9.28 13.92 18.56 23.20 27.83 32.47 37.11 >40 3.25 2.5 0.23 0.46 0.93 1.39 1.86 2.32 4.64 6.96 9.28 13.92 18.56 23.20 27.83 32.47 37.11 >40 4 1.75 0.15 0.31 0.61 0.92 1.23 1.53 3.06 4.59 6.13 9.19 12.25 15.31 18.38 21.44 24.50 27.56 4 2 0.15 0.31 0.61 0.92 1.23 1.53 3.06 4.59 6.13 9.19 12.25 15.31 18.38 21.44 24.50 27.56 4 2.5 0.15 0.31 0.61 0.92 1.23 1.53 3.06 4.59 6.13 9.19 12.25 15.31 18.38 21.44 24.50 27.56 5 2 0.10 0.20 0.39 0.59 0.78 0.98 1.96 2.94 3.92 5.88 7.84 9.80 11.76 13.72 15.68 17.64 5 2.5 0.10 0.20 0.39 0.59 0.78 0.98 1.96 2.94 3.92 5.88 7.84 9.80 11.76 13.72 15.68 17.64 5 3 0.10 0.20 0.39 0.59 0.78 0.98 1.96 2.94 3.92 5.88 7.84 9.80 11.76 13.72 15.68 17.64 5 3.5 0.10 0.20 0.39 0.59 0.78 0.98 1.96 2.94 3.92 5.88 7.84 9.80 11.76 13.72 15.68 17.64 6 2.5 0.07 0.14 0.27 0.41 0.54 0.68 1.36 2.04 2.72 4.08 5.44 6.81 8.17 9.53 10.89 12.25 6 3.5 0.07 0.14 0.27 0.41 0.54 0.68 1.36 2.04 2.72 4.08 5.44 6.81 8.17 9.53 10.89 12.25 7 3.5 0.05 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 1.00 1.50 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 7 4 0.05 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 1.00 1.50 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 8 3.5 0.04 0.08 0.15 0.23 0.31 0.38 0.77 1.15 1.53 2.30 3.06 3.83 4.59 5.36 6.13 6.89 8 4 0.04 0.08 0.15 0.23 0.31 0.38 0.77 1.15 1.53 2.30 3.06 3.83 4.59 5.36 6.13 6.89 8 4.5 0.04 0.08 0.15 0.23 0.31 0.38 0.77 1.15 1.53 2.30 3.06 3.83 4.59 5.36 6.13 6.89 10 4.5 0.02 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.49 0.74 0.98 1.47 1.96 2.45 2.94 3.43 3.92 4.41 10 5.5 0.02 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.49 0.74 0.98 1.47 1.96 2.45 2.94 3.43 3.92 4.41
VELOCIDAD EN PULGADAS POR SEGUNDO PISTON VASTAGO FUERZA SALIENDO (TONELADAS) PRESION (PSI)
IN IN 100 500 1000 1500 2000 3000 4000 5000 100 500 1000 1500 2000 3000 4000 5000 1.5 5/8 0.08 0.40 0.80 1.20 1.61 2.41 3.21 4.01 0.07 0.33 0.66 1.00 1.33 1.99 2.65 3.32 1.5 3/4 0.08 0.40 0.80 1.20 1.61 2.41 3.21 4.01 0.06 0.30 0.60 0.90 1.20 1.81 2.41 3.01 2 1 0.14 0.71 1.43 2.14 2.85 4.28 5.71 7.14 0.11 0.54 1.07 1.61 2.14 3.21 4.28 5.35 2 1 3/8 0.14 0.71 1.43 2.14 2.85 4.28 5.71 7.14 0.08 0.38 0.75 1.13 1.51 2.26 3.01 3.76 2.5 1 0.22 1.12 2.23 3.35 4.46 6.69 8.92 11.15 0.19 0.94 1.87 2.81 3.75 5.62 7.49 9.37 2.5 1 3/8 0.22 1.12 2.23 3.35 4.46 6.69 8.92 11.15 0.16 0.78 1.56 2.33 3.11 4.67 6.22 7.78 2.5 1 3/4 0.22 1.12 2.23 3.35 4.46 6.69 8.92 11.15 0.11 0.57 1.14 1.71 2.27 3.41 4.55 5.69 3.25 1 3/8 0.38 1.88 3.77 5.65 7.54 11.31 15.08 18.84 0.31 1.55 3.09 4.64 6.19 9.28 12.38 15.47 3.25 1 3/4 0.38 1.88 3.77 5.65 7.54 11.31 15.08 18.84 0.27 1.34 2.68 4.01 5.35 8.03 10.70 13.38 3.25 2 1/2 0.38 1.88 3.77 5.65 7.54 11.31 15.08 18.84 0.15 0.77 1.54 2.31 3.08 4.62 6.16 7.69 4 1 3/4 0.57 2.85 5.71 8.56 11.42 17.13 22.84 28.55 0.46 2.31 4.62 6.92 9.23 13.85 18.47 23.08 4 2 0.57 2.85 5.71 8.56 11.42 17.13 22.84 28.55 0.43 2.14 4.28 6.42 8.56 12.85 17.13 21.41 4 2 1/2 0.57 2.85 5.71 8.56 11.42 17.13 22.84 28.55 0.35 1.74 3.48 5.22 6.96 10.44 13.92 17.39 5 2 0.89 4.46 8.92 13.38 17.84 26.76 35.68 44.60 0.75 3.75 7.49 11.24 14.99 22.48 29.97 37.47 5 2 1/2 0.89 4.46 8.92 13.38 17.84 26.76 35.68 44.60 0.67 3.35 6.69 10.04 13.38 20.07 26.76 33.45 5 3 0.89 4.46 8.92 13.38 17.84 26.76 35.68 44.60 0.57 2.85 5.71 8.56 11.42 17.13 22.84 28.55 5 3 1/2 0.89 4.46 8.92 13.38 17.84 26.76 35.68 44.60 0.45 2.27 4.55 6.82 9.10 13.65 18.20 22.75 6 2 1/2 1.28 6.42 12.85 19.27 25.69 38.54 51.38 64.23 1.06 5.31 10.62 15.92 21.23 31.85 42.46 53.08 6 3 1/2 1.28 6.42 12.85 19.27 25.69 38.54 51.38 64.23 0.85 4.24 8.47 12.71 16.95 25.42 33.90 42.37 7 3 1/2 1.75 8.74 17.48 26.23 34.97 52.45 69.94 87.42 1.31 6.56 13.11 19.67 26.23 39.34 52.45 65.57 7 4 1.75 8.74 17.48 26.23 34.97 52.45 69.94 87.42 1.18 5.89 11.78 17.66 23.55 35.33 47.10 58.88 8 3 1/2 2.28 11.42 22.84 34.25 45.67 68.51 91.35 114.18 1.85 9.23 18.47 27.70 36.93 55.40 73.86 92.33 8 4 2.28 11.42 22.84 34.25 45.67 68.51 91.35 114.18 1.71 8.56 17.13 25.69 34.25 51.38 68.51 85.64 8 4 1/2” 2.28 11.42 22.84 34.25 45.67 68.51 91.35 114.18 1.56 7.81 15.61 23.42 31.22 46.83 62.44 78.05 10 4 1/2 3.57 17.84 35.68 53.52 71.36 107.05 142.73 178.41 2.85 14.23 28.46 42.68 56.91 85.37 113.83 142.28 10 5 1/2 3.57 17.84 35.68 53.52 71.36 107.05 142.73 178.41 2.49 12.44 24.89 37.33 49.78 74.66 99.55 124.44
26 26 26
26 Camilo H. Rueda
Figura 16. Tabla de velocidades y caudales con el vástago entrando.
También están los cilindros "telescópicos". En estos el vástago consta de dos o más etapas una dentro de la otra, como se muestra en la figura 17, de tal forma que van saliendo una a la vez (por diferencia de áreas). Lográndose un recorrido que es igual al que tendría si fuera una sola etapa, multiplicado por el número de etapas que tenga.
Figura 17. Cilindro telescópico.
PISTON VASTAGO CAUDAL EN GPM VASTAGO ENTRANDO
IN IN 0.5 1 2 3 4 5 10 15 20 30 40 50 60 70 80 90 1.5 0.625 1.32 2.64 5.27 7.91 10.54 13.18 26.35 39.53 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40 1.5 0.75 1.45 2.90 5.81 8.71 11.61 14.52 29.04 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40 2 1 0.82 1.63 3.27 4.90 6.53 8.17 16.33 24.50 32.67 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40 2 1.375 1.16 2.32 4.65 6.97 9.29 11.61 23.23 34.84 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40 2.5 1 0.47 0.93 1.87 2.80 3.73 4.67 9.33 14.00 18.67 28.00 37.33 >40 >40 >40 >40 >40 2.5 1.375 0.56 1.12 2.25 3.37 4.50 5.62 11.24 16.86 22.48 33.72 >40 >40 >40 >40 >40 >40 2.5 1.75 0.77 1.54 3.07 4.61 6.15 7.69 15.37 23.06 30.75 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40 3.25 1.375 0.28 0.57 1.13 1.70 2.26 2.83 5.65 8.48 11.30 16.95 22.60 28.25 33.90 39.55 >40 >40 3.25 1.75 0.33 0.65 1.31 1.96 2.61 3.27 6.53 9.80 13.07 19.60 26.13 32.67 39.20 >40 >40 >40 3.25 2.5 0.57 1.14 2.27 3.41 4.54 5.68 11.36 17.04 22.72 34.09 >40 >40 >40 >40 >40 >40 4 1.75 0.19 0.38 0.76 1.14 1.51 1.89 3.79 5.68 7.57 11.36 15.15 18.94 22.72 26.51 30.30 34.09 4 2 0.20 0.41 0.82 1.23 1.63 2.04 4.08 6.13 8.17 12.25 16.33 20.42 24.50 28.58 32.67 36.75 4 2.5 0.25 0.50 1.01 1.51 2.01 2.51 5.03 7.54 10.05 15.08 20.10 25.13 30.15 35.18 >40 >40 5 2 0.12 0.23 0.47 0.70 0.93 1.17 2.33 3.50 4.67 7.00 9.33 11.67 14.00 16.33 18.67 21.00 5 2.5 0.13 0.26 0.52 0.78 1.05 1.31 2.61 3.92 5.23 7.84 10.45 13.07 15.68 18.29 20.91 23.52 5 3 0.15 0.31 0.61 0.92 1.23 1.53 3.06 4.59 6.13 9.19 12.25 15.31 18.38 21.44 24.50 27.56 5 3.5 0.19 0.38 0.77 1.15 1.54 1.92 3.84 5.76 7.69 11.53 15.37 19.22 23.06 26.90 30.75 34.59 6 2.5 0.08 0.16 0.33 0.49 0.66 0.82 1.65 2.47 3.29 4.94 6.59 8.24 9.88 11.53 13.18 14.82 6 3.5 0.10 0.21 0.41 0.62 0.83 1.03 2.06 3.09 4.13 6.19 8.25 10.32 12.38 14.44 16.51 18.57 7 3.5 0.07 0.13 0.27 0.40 0.53 0.67 1.33 2.00 2.67 4.00 5.33 6.67 8.00 9.33 10.67 12.00 7 4 0.07 0.15 0.30 0.45 0.59 0.74 1.48 2.23 2.97 4.45 5.94 7.42 8.91 10.39 11.88 13.36 8 3.5 0.05 0.09 0.19 0.28 0.38 0.47 0.95 1.42 1.89 2.84 3.79 4.73 5.68 6.63 7.57 8.52 8 4 0.05 0.10 0.20 0.31 0.41 0.51 1.02 1.53 2.04 3.06 4.08 5.10 6.13 7.15 8.17 9.19 8 4.5 0.06 0.11 0.22 0.34 0.45 0.56 1.12 1.68 2.24 3.36 4.48 5.60 6.72 7.84 8.96 10.08 10 4.5 0.03 0.06 0.12 0.18 0.25 0.31 0.61 0.92 1.23 1.84 2.46 3.07 3.69 4.30 4.92 5.53 10 5.5 0.04 0.07 0.14 0.21 0.28 0.35 0.70 1.05 1.41 2.11 2.81 3.51 4.22 4.92 5.62 6.32
VELOCIDAD EN PULGADAS POR SEGUNDO
50 Ton SUBIDA DE LA BOMBA 50 Ton BAJADA AL TANQUE
27 27 27
27 Camilo H. Rueda
CILINDROS DE DOBLE EFECTO.
Los cilindros de doble efecto son en los que, tanto la salida como el retorno, se hacen por me-dio del aceite. Esto quiere decir que son capaces de suministrar potencia, tanto saliendo como entrando.
El cilindro más común de doble efecto, consta de una camisa dentro de la cual va un pistón unido al vástago y dos tapas en los extremos que cierran la salida del aceite. Este pistón divide el cilindro en dos cámaras cuyas áreas sobre las que va actuar la presión son diferentes, debi-do a que una de ellas se encuentra el vástago.
Durante el avance, el aceite ejerce presión sobre todo el área del pistón, mientras que en el regreso solo lo hace en el área anular, es decir, el área del pistón menos el área del vástago. Esto hace que a éstos cilindros se les conozca como"cilindros diferenciales".
En la figura 18 se muestra el funcionamiento de un cilindro de doble efecto.
Figura 18. Funcionamiento de un cilindro de doble efecto.
En las tablas de la figura 14, y 15 se encuentran las características de los cilindros diferencia-les, la tabla encontrada en el área efectiva de diferentes cilindros de tamaño estándar y la fuer-za en libras para diferentes presiones de operación.
Estas tablas sirven de ayuda cuando se necesita verificar el comportamiento de un sistema hidráulico Nuevo o cuando se desea verificar el funcionamiento de uno que esta fallando. En las tablas se puede apreciar como varia la fuerza y la velocidad de un cilindro saliendo o en-trando.
8000 lbs 8000 lbs
AVANCE DEL CILINDRO RETROCESO DEL CILINDRO AL TANQUE
AL TANQUE DE LA BOMBA
28 28 28
28 Camilo H. Rueda
En la figura 20 se muestra el corte de un cilindro hidráulico de doble efecto y se pueden ver todos sus componentes.
Figura 20. Corte de un cilindro de doble efecto
Si a un cilindro de doble efecto se le hace vástago en los dos extremos, las áreas en las dos cámaras serán iguales. Este es un "cilindro de doble vástago". Este se usa cuando se requiere acoplar una carga en cada extremo o cuando se necesita el mismo desplazamiento, la misma fuerza o la misma velocidad en ambas direcciones.
Cualquier cilindro de doble efecto se puede usar como uno de simple efecto conectando la sa-lida de la cámara del vástago, o la que este inactiva, al tanque.
Existen varias opciones en los cilindros de doble efecto, en lo que se refiere a su construcción, según las especificaciones de la carga. Primero, en lo que se refiere a la velocidad, se usan empaques de poliméricos si no se sobrepasa de 1 (un) pie por segundo. Por encima de esta velocidad se deben usar empaques metálicos, parecidos a los que se usan en los motores de combustión interna. Además, si esta velocidad es muy alta, es recomendable usar amortigua-dores en los extremos, para que no se presenten golpes en los finales de carrera.
RASPADOR
BUJE
RETENEDOR
“O” RING CAMISA
CAMISA BRUÑIDA
EMPAQUE PISTON
AMORTIGUADOR
TUERCA DEL TENSOR TAPA TRASERA
TAPA DELANTERA VASTAGO
GUIA ANTIFRICCION PISTON
29 29 29
29 Camilo H. Rueda
El amortiguador lo que hace es restringir la salida del aceite cuando el cilindro llega al extremo disminuyendo la velocidad en ese punto. En la figura 2.7 se muestra el funcionamiento de en amortiguador.
Figura 21. Funcionamiento de un amortiguador en un cilindro
Otro parámetro importante que debe ser tenido en cuenta cuando se escoge un cilindro es el diámetro mínimo del vástago. Existen diferentes tablas para escogerlo de acuerdo a la fuerza del trabajo del cilindro. Estas se basan en el efecto de "columna" que debe soportar el cilindro y dependen del tipo de montaje que se use. En la figura 22 se muestran los diferentes tipos de montajes de cilindros.
Típico amortiguador recto
Amortiguador perfilado Amortiguador Ideal P re si ó n d e am o rt ig u ac ió n Carrera de amortiguador
30 30 30
30 Camilo H. Rueda
Figura 22. Tipos de montaje
Frontal Posterior Pies
Tornillos largos Pivote frontal
Pivote intermedio
Pivote trasero-macho Pivote trasero-hembra Pivote trasero-rotula
Pivote trasero sin tirantes Doble vastago
31 31 31
31 Camilo H. Rueda
Los pasos para la selección adecuada del diámetro del vástago son los siguientes:
1 Seleccione el diámetro del pistón basándose en el valor de la carga y la presión de opera-ción de la línea de transmisión
2 Determine la longitud "L" entre los puntos de montaje y el correspondiente valor de "K" de acuerdo con la figura 2.8
3 Con esto valores se consulta la tabla de la figura 2.9 para seleccionar el diámetro adecuado del vástago
4 Si obtiene un diámetro sobre diseñado revise los valores de "L" y "K"
Figura 23. Tipos de montaje y valores de “K”
FLANCHE FRONTAL K= 4L GUIA CORTA K=L SIN GUIA K=4L PIVOTADA ATRAS K=L FLANCHE POSTERIOR K= 4L GUIA LARGA K=L/2 PIVOTADA AL FRENTE K=L PIVOTADA ATRAS K=L
32 32 32
32 Camilo H. Rueda
Si la carrera del cilindro es muy larga, al salir el vástago completamente, una fuerza axial so-bre este, debida a su propio peso en caso de estar en posición horizontal o cualquier otra que se pueda presentar, ocasionara un esfuerzo muy grande en el buje guía del vástago, lo cual disminuirá la vida del mismo.
Fig. 24. Tabla de selección de diámetros de vástago
Para que este efecto sea mínimo, se usa lo que se conoce como "tubo de parada". Este es un espaciador que lleva el vástago al lado del pistón, con el fin de no permitir la salida completa del primero. En la figura 24 se observa como es el tubo de parada.
DIAMETR O DE VASTAGO FUERZA (LBS) 5/8” 1” 1 3/8” 1 3/4” 2” 2 1/2” 3” 3 1/2” 4” 4 1/2” 5” 5 1/2” 6” 400 35 64 134 700 30 68 119 1000 26 60 105 156 190 1400 24 54 93 144 175 244 306 1800 27 46 84 127 160 230 294 366 2400 18 45 75 114 145 214 261 347 3200 16 40 68 103 131 195 252 329 398 4000 12 36 63 93 119 174 240 310 373 445 5000 9 36 60 87 112 163 225 289 359 426 6000 30 56 82 102 152 209 274 342 411 476 8000 25 51 76 93 136 186 244 310 375 446 10000 21 45 70 89 125 172 221 279 349 412 12000 17 41 64 85 117 155 210 270 306 388 455 16000 35 57 75 110 141 166 233 291 350 421 20000 28 52 66 103 136 173 218 276 325 385 30000 39 56 87 120 156 190 232 285 330 40000 24 43 75 108 142 177 210 248 293 50000 30 65 97 131 165 201 234 269 405 60000 57 88 119 154 191 226 256 384 80000 36 71 104 136 170 204 240 336 100000 56 91 120 154 199 224 324 120000 45 76 106 145 174 207 313 140000 64 95 129 162 194 301 160000 47 87 118 149 182 279 200000 65 96 131 160 260 250000 72 109 143 236 300000 85 120 212 350000 53 100 195 400000 72 182 500000 152 600000 114 700000 72
33 33 33
33 Camilo H. Rueda
Figura 25. Tubo de parada
Cuando la distancia "L" que aparece en la tabla de la figura 22 excede 40 pulgadas es reco-mendable usar el tubo de parada. La longitud de éste deberá ser de una pulgada por cada 10 pulgadas o fracción que esté por encima de las 40 pulgadas. Es decir:
Así, si por ejemplo se tiene un cilindro de 4" de diámetro pivotado en los extremos y de 25 pul-gadas de carrera, "L" seria igual a 50 pulpul-gadas mas la longitud de las tapas el pistón y los pivo-tes del cilindro que pueden ser de unas 13 pulgadas aproximadamente, es decir, 63 pulgadas en total. Por lo tanto como son 23 pulgadas por encima de las 40 básicas, el tubo de parada deberá ser de 3 pulgadas.
1 in 14 in 10 lbs 150 lbs Reacción 3 in 12 in 10 lbs
SIN TUBO DE PARADA CON TUBO DE PARADA
L - 40 IN 10 TUBO DE PARADA = TUBO DE PARADA CARGA 50 lbs Reacción
34 34 34
34 Camilo H. Rueda
MOTORES HIDRAULICOS
Se denominan motores hidráulicos a los actuadores que tienen movimiento rotatorio. En cuan-to su construcción se parece mucho a las bombas pero en lugar de enviar caudal son movidos por éste a una velocidad que depende del mismo.
Se distinguen dos clases principales, los motores unidireccionales y los bi direccionales En los motores unidireccionales la salida del aceite está conectada al retorno del sistema (tanque). En los bi direccionales existe la posibilidad de enviar aceite por cualquiera de las conexiones, con lo cuál se logra que el motor gire en una dirección o en otra según la entrada del aceite, en estos últimos se requiere tener un dreno eterno que permita enviar las fugas de aceite al tan-que y evitar así daños al motor.
El tamaño de los motores se establece por su "desplazamiento". El desplazamiento es la canti-dad o volumen de aceite que requiere un motor para girar una vez. Es decir, la capacicanti-dad de cada cámara del motor multiplicada por el numero de cámaras.
Los fabricantes también clasifican los motores de acuerdo con al "porcentaje de torsión". Este se define como el torque en Ib-in que da el motor por cada 100 PSI de presión en el aceite con este parámetro, se puede encontrar fácilmente el torque que proporcionará un motor a una presión determinada. multiplicándolo por la presión de trabajo y dividiendo por 100.
Para averiguar el caudal necesario para que un determinado motor gire a la velocidad necesa-ria, se multiplica la velocidad por el desplazamiento. Si la velocidad esta en RPM y el despla-zamiento en in3/revolución, el caudal será:
También se puede hallar el torque teniendo el desplazamiento con la siguiente formula:
En cuanto a la conformación física, existen tres tipos básicos de motores:
♦ De engranajes
♦ De paletas
♦ De pistones
TORQUE DE SALIDA=
100
PORCENTAJE DE TORSION x PRESION (psi)
VELOCIDAD ANGULAR (RPM) x DESPLAZAMIENTO (
231 ( Q (GPM) = ) in33 33 gal in3333 Rev )
PRESION (psi) x DESPLAZAMIENTO(
2 p ( TORQUE (Lb-in) = ) Rad Rev in3333 Rev )
35 35 35
35 Camilo H. Rueda
MOTORES DE ENGRANAJES
Normalmente constan de engranajes que trabajan juntos dentro de una cavidad sellada del motor. La presión del aceite actúa sobre las superficies de los dientes de uno de los engrana-jes generando así un torque en el eje de salida, que es el eje de los mismos engranaengrana-jes.
En la figura 26 se muestra en el corte transversal de uno de estos motores y la forma como actúa el aceite
Figura 26. Corte de un motor de engranajes
El desplazamiento de este motor es igual a la cantidad de aceite que cabe entre dos dientes de un engranaje multiplicado por el número de dientes de los dos engranajes.
Figura 27. Motor hidráulico de piñones
ENTRADA
SALIDA LA PRESION EMPUJA
ESTOS DOS DIENTES Y P R O D U C E U N A FUERZA CON UN BRAZO DE PALANCA IGUAL AL RADIO MEDIO DEL PIÑON.
EL ACEITE ES T R A N S P O R T A D O E N E S T A S CAVIDADES DESDE L A E N T R A D A HASTA LA SALIDA
Tapa frontal hecha de aleaciones de aluminio
Anillo “O”
Conjunto diseñado para mantener alta eficiencia y compensar el desgaste
Piñón auxiliar
Piñón motriz
Sección central de aluminio de alta resistencia
Hecho de bronce de alta resistencia
Sello “O”
Tapa trasera hecha de aleaciones de aluminio Sello del eje
36 36 36
36 Camilo H. Rueda
También hay motores de engranajes internos, en los cuales se tiene uno de los engranajes ro-tando dentro del otro. Uno muy especial de este tipo es el motor de "ge rotor", en el que existe un rotor (conocido como ge rotor) normalmente de seis dientes o lóbulos que gira dentro de un estator que tiene siete dientes o lóbulos internos. Entre los dos quedan espacios o cámaras dentro de los cuales va el aceite y por diferencias en las áreas en las que actúa la presión . La figura 28 muestra a la izquierda un motor en corte donde se aprecian todas las partes inter-nas. A la derecha en la misma figura, se ve un motor montado en su área de trabajo con las conexiones hidráulicas. En la parte inferior se muestran características típicas de estos moto-res
En la figura 28A, parte superior izquierda se aprecian las cámaras de presión, el rotor y el es-tator, y en el centro el eje. Este ultimo esta descentrado con respecto al eses-tator, lo cual hace que el centro del eje “orbite” alrededor del centro del estator. Por cada rotación del eje se lo-gran 6 orbitas, lo cual conduce a que cada cámara esta sometida a presión y retorno 6 veces en cada vuelta, actuando como un reductor de velocidad planetario, es decir logrando el efecto de una reducción de velocidad de 6 a 1 y una multiplicación del torque 6 veces.
Figura 28. Motor G rotor, vista y características.
En la misma figura en la parte superior derecha, vemos que para poder hacer que el aceite se distribuya correcta y sincronizadamente se utiliza el bloque distribuidor o “manifold” y el
con-37 37 37
37 Camilo H. Rueda
mutador. El bloque tiene 7 agujeros correspondientes a 7 cámaras, lo mismo que el conmuta-dor. Este ultimo, esta expuesto a una de las entradas de presión en su exterior y a la otra en su interior, lo cual hace que al orbitar sobre el bloque, queden expuestas siempre 3 cámaras a un puerto, otras 3 al otro y una queda cerrada en transición.
Figura 28A. Como funciona el motor ge rotor.
Cámara neutral (1) Cámaras en Baja Presión (retorno) Cámaras en Alta Presión Eje de Salida Bloque Alimentador Conjunto Rotativo Conmutador Posición 1 Posición 3 Posición 2 Posición 4 eje eje eje eje Rotación de la Presión Rotación de la Presión Rotación de la Presión Rotación de la Presión
38 38 38
38 Camilo H. Rueda
MOTORES DE PALETAS
Un motor de paletas está compuesto por un rotor que tiene una serie de orificios radiales de-ntro de los cuales se mueven unas paletas que a su vez se desplazan por una pista que tiene una forma parecida a una elipse, con la cual se logra que las paletas salgan y entren dentro del orificio del rotor, . La presión actúa sobre el área de la paleta que esta fuera del rotor, ge-nerando una fuerza que a su vez se convierte en un torque en el eje del rotor que es el mismo del motor como se puede ver en la figura 29
Figura 29. Funcionamiento de un motor de paletas
En un motor de paletas el desplazamiento es el volumen que hay entre dos paletas multiplica-do por el número de paletas. Tenienmultiplica-do en cuenta el recorrimultiplica-do neto de la paleta al entrar y salir del rotor. Cámara de Retorno Cámara de Entrada de Presión Rotor Anillo Paleta
Entrada
Retorno
39 39 39
39 Camilo H. Rueda
Figura 30. Motor de paletas
Este volumen se puede aumentar si se hace que las paletas salgan más del orificio del rotor, es decir, si el agujero con forma elíptica del anillo externo se hace mayor. También se hace mayor el volumen si el rotor y, por tanto, las paletas y el anillo, se hacen más anchos. Debido a esto con un mismo cuerpo o carcaza se puede tener motores de diferentes desplazamientos.
Figura 31 Resortes para mantener las paletas salidas
Plato de presión Paleta Rotor Tapa Trasera Anillo Cuerpo Frontal Eje de Salida Chaveta Anillo Retenedor Rodamiento
Sello del Eje Brazo de Pivote
40 40 40
40 Camilo H. Rueda
Existen diferentes formas de lograr que las paletas se mantengan rozando con la pista. La más sencilla es usando resortes que empujan las paletas como se ve en la figura 31. También se puede usar la misma presión del aceite para empujarlas como se ve en la figura 32. En los motores de alta eficiencia se usan las dos opciones.
Figura 32. Motores de paletas con presión piloto
Figura 33. Motor de paletas de alto torque
Arandela Ondulada Conjunto Rotativo Asiento Asiento Válvula Selectora Cuerpo Tapa Rotor Hueco Esquinas cuadradas
41 41 41
41 Camilo H. Rueda
MOTORES DE PISTONES
Existen dos tipos de motores de pistones, los axiales y los radiales.
Los motores de pistones axiales constan de un tambor con una serie de orificios dentro de los cuales se mueven entrando y saliendo, los pistones a medida que el tambor va rotando. En la figura 34 se muestra como es y como funciona este tipo de motor
Figura 34. Motor de pistones axiales. Vista externa
Figura 35. Motor de pistones axiales. Funcionamiento.
El tambor por su parte frontal, gira rozando una tapa que es la que tiene los orificios de entra-da y de salientra-da del motor y que están separados entre sí por un sello que hace el tambor contra la tapa. Al haber presión de aceite en la entrada, los pistones que están comunicados con esta son empujados hacia dentro. Los pistones que están comunicados con el orificio de salida, van moviéndose hacia fuera y expulsando el aceite que llevan.
Ranura de Plato de distribución Agujero del bloque de pistones Puerto de Entrada Puerto de Salida Grupo de Pistones Plato de Deslizamiento Eje de Salida
42 42 42
42 Camilo H. Rueda
Figura 36. Motor de pistones axiales. Vista lateral
Figura 37. Variación del desplazamiento en un motor de pistones axiales
Así que el desplazamiento de un motor de pistones axiales será igual al área de cada pistón multiplicada por el número de pistones y por el recorrido que hacen dentro del tambor.
Los pistones van apoyados en una pista que esta inclinada con respecto al plano de la tapa sobre la que gira el rotor. Si se varía la inclinación de la pista entonces varía también el des-plazamiento. El torque y la velocidad dependen tanto de esta inclinación y del área de los pis-tones. En la figura 27 se muestra este efecto.
Debido a esta característica los motores de pistones axiales se pueden hacer compensados. El compensador es una válvula de control de presión que se utiliza para cambiar la inclinación de la pista, es decir, el desplazamiento del motor cuando se presentan cambios en la carga de trabajo. Físicamente el compensador consta de un pistón que está sujeto a la tensión de un re-sorte por un lado, y a la presión del aceite por el otro. A su vez la presión también está ac-tuando sobre otro pistón como se ve en la figura 37A que empuja la horquilla sobre la que va la pista aumentando la inclinación de la misma. Cuando la tensión sobrepasa el taraje del compensador, el primer pistón es empujado y algo de aceite logra salir hacia la carcaza del motor que está comunicada al tanque a través del dreno, limitando así la presión. Con el com-pensador se logra ajustar el desplazamiento del motor de manera que éste proporcione el
Angulo parcial del plato (Parcial desplazamiento) Angulo Máximo del plato
43 43 43
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máximo de rendimiento bajo todas las condiciones de carga, ya que cuando ésta aumenta la presión sube haciendo que el desplazamiento sea mayor y por lo tanto el torque también au-mente.
Figura 37A. Variación de desplazamiento.
En el motor de pistones radiales. Estos están ubicados perpendicularmente con respecto al eje del motor. La presión sobre cada uno independiente, empujándolos hacia el centro el cual está desfasado con respecto al centro del eje y por lo tanto hace que se genere un torque en el mismo. Son motores normalmente de alto desplazamiento. Esto implica que el torque de salida es grande y la velocidad es relativamente baja, por lo cual se conocen como motores de alto torque y baja velocidad o motores HTLS (high torque low speed), por las iniciales en in-gles, igual que los de ge rotor, siendo estos de menor tamaño. En la figura 38 se les y un corte del mismo
Figura 38. Motor de pistones radiales
Pistón que varia el desplazamiento
44 44 44
44 Camilo H. Rueda
Preguntas
1 ¿Qué factores limitan la longitud del vástago? 2 ¿Por qué se utilizan tubos de parada?
3 El fabricante de un cilindro de 4 pulgadas de diámetro recomienda que la presión interna no exceda 2500 PSI. ¿Cuál es la fuerza máxima que puede hacer el cilindro?
4 Se necesita un cilindro capaz de levantar 7 toneladas en el mínimo de tiempo sin que la pre-sión del sistema sea mayor que 2500 PSI. ¿Qué diámetro recomienda usted para el pistón? 5 ¿Cómo se establece el tamaño de los motores hidráulicos?
Ejercicios
1.Se tiene una bomba de 4 GPM. El fabricante de la bomba recomienda que la presión a la sa-lida sea menor de 3000 PSI.
La bomba se conecta a un actuador que debe levantar una carga de 35 toneladas. ¿ Cuál es el diámetro del pistón con el que se logra levantar la carga en el mínimo tiempo?
2 Un actuador de doble efecto tiene un pistón de 5 pulgadas de diámetro y un vástago de 2.5 pulgadas de diámetro. El vástago sale 12 pulgadas en 30 segundos.
a)¿Cuánto demorará en entrar? b)¿Qué caudal suministra la bomba?
3 Un sistema hidráulico en el que la presión no debe sobrepasar los 3000 PSI se diseña para levantar un peso de 3.5 toneladas. Se utilizará un montaje de flanche posterior. Sabiendo que el diámetro del vástago es la mitad del diámetro del pistón estime la longitud máxima del vástago que puede utilizarse.
4 El motor hidráulico de un winche puede llegar a necesitar hasta 60 lbf-ft. ¿Cuál debe ser su desplazamiento (en in3/Rev.) si la presión no debe exceder los 1500 PSI?
5 Un motor hidráulico es utilizado para mover una banda sin fin. El motor debe lograr un torque de 500 NM y girar a 100 RPM. La presión del sistema es de 1750 PSI.
a) Calcule el desplazamiento necesario. b)¿Qué caudal necesita el motor?
45 45 45
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IMPULSORES
Dentro de un sistema hidráulico, los impulsores son los elementos encargados de suministrar el aceite según los requerimientos.
El más importante de estos es la bomba hidráulica, que se requiere en todos los sistemas. También se puede obtener aceite a presión guardándolo en un acumulador y tomándolo en el momento preciso en el que debe hacer un caudal extra en el sistema. El acumulador también sirve para amortiguar golpes cuando hay cambios muy bruscos de presión o para mantener una presión constante en la línea.
Otro elemento impulsor es el multiplicador de presión, que sirve para cambiar caudal de pre-sión, ya que por diferencia de áreas un actuador doble, multiplica (como su nombre lo indica) la presión pero disminuye la cantidad de aceite desplazado.
Los símbolos con que se representan estos elementos son:
♦ BOMBAS ∗ De desplazamiento fijo ∗ De desplazamiento variable ♦ ACUMULADORES ∗ De resorte cargado ∗ Cargado de gas ♦ MULTIPLICADORES DE PRESION
46 46 46
46 Camilo H. Rueda
BOMBAS
La bomba es el transductor de entrada del sistema hidráulico
Convierte la energía mecánica en hidráulica empujando el aceite dentro del sistema. Se distinguen dos tipos básicos de bombas
-Hidrodinámicas -Hidrostáticas
Las hidrodinámicas o de desplazamiento no positivo, tales como el diseño de turbina o centri-fugas, se usan principalmente para transferir fluidos en donde la única resistencia encontrada es la creada por peso y fricción del mismo fluido En ellas no existe una separación física entre la entrada y la salida, no hay sello positivo entre los dos orificios y la capacidad de presión es a causa del impulsor de velocidad.
Las bombas hidrostáticas o de desplazamiento positivo tienen un sello “o” que separa la entra-da de la salientra-da haciendo que ésta sea totalmente independiente de la presión del fluido (excepto por las perdidas por fuga): Por esto, la cantidad de aceite que envían es constante en cada ciclo o revolución y por ello se especifican por la cantidad de aceite que envían a una de-terminada velocidad.
BOMBAS DE ENGRANAJES
En la bomba de engranajes, el aceite es llevado de la entrada hacia la salida en el espacio que hay entre dos dientes de cada engranaje. Uno de los engranajes es impulsado por la fuente de entrada del sistema y éste a su vez mueve el otro engranaje. Los dos se hallan dentro de una cámara conformada por un "anillo" que forma parte de la carcaza de la bomba y dos platos laterales, llamados platos de presión. En la figura 39 se muestra el corte de una bomba de en-granajes
Figura 39. Bomba de engranajes.
SALIDA
ENTRADA LA PRESION DE LA
SALIDA GENERA U N A C A R G A RADIAL SOBRE LOS EJES COMO LO I N D I C A N L A S FLECHAS. EL ACEITE ES T R A N S P O R T A D O E N E S T A S CAVIDADES DESDE L A E N T R A D A HASTA LA SALIDA EL ACEITE ES FORZADO HACIA FUERA POR EL O R I F I C I O D E P R E S I O N CONFORME LOS DIENTES SE VAN ENCONTRANDO UN VACIO SE VA GENERANDO EN LA MEDIDA QUE LOS D I E N T E S S E ALEJAN EN LA ENTRADA
47 47 47
47 Camilo H. Rueda
También se encuentran bombas de engranajes de tipo lóbulo, bombas de engranajes internos, es decir, un engranaje dentro de otro o bombas de ge rotor, aunque no son tan comunes. En la figura 40 y 41 se muestran estas bombas.
Figura 40. Bomba de lóbulos
Figura 41. Bomba de engranajes internos.
SALIDA
48 48 48
48 Camilo H. Rueda
Figura 42. Bomba de ge rotor.
Las bombas de engranaje en general, son las de menor costo y tienen muy buena capacidad para soportar impurezas en el aceite, sin embargo, con el desgaste aumentan mucho las fugas internas y se baja la eficiencia. Por otro lado, una bomba de engranajes con muchas cámaras de bombeo genera alta frecuencia, lo que produce mucho ruido.
BOMBAS DE PALETAS
Las bombas de paletas también se parecen mucho a los motores.
Constan de un rotor ranurado que gira dentro de una cámara conformada por un anillo que sirve de pista para las paletas que van dentro de las ranuras del rotor, entrando y saliendo con el movimiento, y los platos de presión, en los cuales está el orificio de entrada en uno y de sali-da en el opuesto, tal como se muestra en la figura 43
Figura 43. Bomba de paletas sencilla y doble.
Salida Entrada
Engranaje interior Engranaje exterior
49 49 49
49 Camilo H. Rueda
Para hacer que a esta bomba se le pueda variar el caudal, se deben acercar los centros del rotor y del anillo, con el fin de disminuir el volu-men existente entre dos paletas disminuyendo el desplazamiento de la bomba. Además, se puede tener una bomba "compensada por presión", es decir, que cuando se llegue a una presión predeterminada en el siste-ma, la bomba deje de enviar todo el caudal y envíe sólo el necesario pa-ra mantener dicha presión disminuyendo el consumo de potencia. Esto se logra aprovechando la fuerza que se genera en el anillo debida a la misma presión en el aceite, enfrentada a la fuerza de un resorte que se puede comprimir por medio de un tornillo de graduación. Cuando la fuer-za del anillo es mayor que la tarada en el resorte, éste se desplafuer-zará y la cámara de bombeo disminuirá.
La presión en las paletas produce una fuerza radial en el eje de la bomba. Esta fuerza se pue-de evitar si se coloca otra paleta en el lado opuesto pue-del rotor soportando la misma presión pue-de la primera.
Este sistema se utilizó para el diseño de las bombas de paletas "balanceadas", que se mues-tran en la figura 3.7. En ellas, el anillo tiene un orificio interno con una forma elíptica en lugar de circular, igual a la que se vio en los motores de paletas, y en lugar de tener un orificio en cada plato de presión para la entrada y salida del aceite tiene dos que están ubicados a 180 grados el uno del otro, logrando en medio giro succionar y expulsar el aceite.
Figura 43. Bombas de paletas "Balanceada"
En la figura 44 se muestra un dibujo en corte de la parte posterior de la misma bomba.
Tapa de Entrada Agujero pasante succión Anillo Plato soporte - entrada Paleta Paleta - inserto Rotor Sellos Platos flexibles Sello cuadrado Tapa de salida
Plato soporte salida Rodamiento eje Sello Eje Salida Entrada Paleta Rotor
