1. 2 FLUIDOS HIDÁULICOS. PROPIEDADES El empleo del fluido hidráulico como elemento de accionamiento y gobierno de máquinas sustituye, con ventaja, a una.

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2 2 FLUIDOS HIDÁULICOS. PROPIEDADES El empleo del fluido hidráulico como elemento de accionamiento y gobierno de máquinas sustituye, con ventaja, a una serie de órganos mecánicos convencionales como: palancas, árboles de transmisión, usillos de avance, engranajes, etc.; reduciendo los problemas de desgaste y mantenimiento, además de estar exentos de vibraciones y ser muy fácil la regulación de velocidad. La hidráulica comenzó a desarrollase en el siglo XVII, basándose en el principio de Pascal, según el cual un fluido confinado puede trasmitir energía multiplicando la fuerza y modificando el desplazamiento. Rueda hidráulica Freno hidráulico

3 3 Densidad Es una propiedad de todos los materiales que se define como el cociente entre la masa y el volumen que ella ocupa. d = m / V Los líquidos se consideran en general, fluidos incompresibles. El aceite hidráulico se comprime aproximadamente un 0,5% a una presión de 70 bar, lo que es despreciable. Al igual que los gases, carecen de forma propia y adoptan la forma del recipiente que los aloja. La densidad relativa es el cociente entre la densidad del material en cuestión y la del agua. También puede expresarse como la relación entre la masa de ese material y el volumen de igual masa de agua. El agua tiene una densidad de 1 kg/dm 3, a 4 ºC. La densidad relativa es adimensional e indica cuantas veces es un volumen de un material mas pesado que el mismo volumen de agua. Presión de vapor La evaporación de los líquidos se produce porque sus moléculas escapan de su superficie. Si cerramos el líquido en un espacio, las moléculas del vapor generado ejercen una presión parcial en dicho espacio que se denomina presión de vapor. En el equilibrio, el número de moléculas que salen del líquido en forma de vapor coincide con las que se condensan. Este hecho depende solamente de la temperatura.

4 4 Si la presión alrededor de un líquido coincide con la de vapor, el líquido hierve. Puede suceder que en el movimiento de líquidos se produzcan presiones muy bajas en algunos lugares. Si esta presión es igual o inferior a la de vapor, el líquido se transforma en vapor, y se forman bolsas que se retiran de su zona de origen y se transforman de nuevo en líquido. Éste fenómeno de implosiones se denomina cavitación, y tiene como consecuencia la erosión de las partes metálicas en bombas y turbinas. Viscosidad La viscosidad consiste en el frotamiento interior entre las moléculas de un fluido, y representa una medida de la resistencia del fluido en su movimiento. Si un fluido circula fácilmente es de viscosidad baja, si el fluido circula con dificultad tendremos viscosidad alta. En el caso de los líquidos la viscosidad disminuye con la temperatura. Una viscosidad alta aumenta la fricción y por tanto la potencia consumida. En Física, la viscosidad se define como la resistencia que ofrece una capa de fluido a desplazarse sobre otra. Si tomamos dos placas paralelas separadas una distancia y, con el espacio entre ellas lleno de fluido, y suponiendo que la placa superior se mueva con una velocidad constante (v) al actuar sobre ella una fuerza también constante (F), el fluido en contacto con la placa móvil se adhiere a ella moviéndose a su misma velocidad (U), mientras que el fluido en contacto con la placa fija permanecerá en reposo.

5 5 La experiencia demuestra que la fuerza (F) es proporcional al área y a la variación de la velocidad con la separación y. Al coeficiente de proporcionalidad μ se le denomina viscosidad absoluta o viscosidad dinámica. Al cociente entre la fuerza y la sección cuando ambas están en el mismo plano se denomina tensión de cortadura ( τ ). La unidad de viscosidad en el sistema CGS es el poise 1 poise = 1 dina. Segundo / 1 cm 2 Se conoce como viscosidad cinemática ( υ ), al cociente entre la viscosidad absoluta y la densidad. Su unidad en el sistema CGS es el stoke. υ = μ / d Las unidades en el SI son [kg.s/m 2 ] para la viscosidad absoluta y [m 2 /s] para la cinemática. La viscosidad es una característica que varía en los aceites con la temperatura. Para paliar este efecto se añaden aditivos, con los que se consigue un comportamiento semejante en invierno y verano.

6 6 Punto de fluidez. El punto de fluidez es la temperatura más baja a la que un líquido puede fluir. En el aceite hidráulico es muy importante conocer ésta característica cuando se utiliza a temperaturas muy bajas. Capacidad de lubricación. Índice de viscosidad. Esta característica se produce por los diferentes tipos de petróleo de los que se obtienen los aceites minerales. Si el aceite tiene una viscosidad adecuada se podrá evitar que las imperfecciones de las superficies metálicas entren en contacto. Resistencia a la oxidación. Los aceites derivados del petróleo son muy susceptibles a la oxidación. Como elementos activadores de la oxidación tenemos el calor, la presión, los contaminantes, el agua, las superficies metálicas y la agitación. El elemento mas importante es el calor. Los fabricantes añaden antioxidantes para evitar este efecto.

7 7 Fluido estacionario. Flujo laminar y flujo turbulento. Un fluido real debido a la viscosidad, tendrá una mayor velocidad en el centro del tubo que en las partes más alejadas. Decimos que un régimen es la minar cuando, aunque cada línea de corriente tenga diferente velocidad, deslizan unas sobre otras no entremezclándose. En caso contrario se dice que el flujo es turbulento. La viscosidad del fluido amortigua la turbulencia. Las velocidades admitidas en el interior de las tuberías son: De 1,5 a 2,5 m/s para aspiración y descarga. De 2,5 a 5 m/s para tuberías de presión.

8 8 PRINCIPIOS FÍSICOS FUNDAMENTALES Principio de Pascal. La prensa hidráulica La ley de Pascal dice: La presión aplicada a un fluido confinado se trasmite íntegramente en todas las direcciones y ejerce fuerzas iguales sobre áreas iguales, actuando estas fuerzas normalmente a las paredes del recipiente. La presión es: utilizando como unidad el bar (aproximadamente 1 kp/cm 2 ), la fuerza sobre el fondo de la botella es: El principio de la prensa hidráulica si tenemos dos cilindros de diferente sección unidos por una conducción y se aplica una fuerza F 1 sobre el émbolo de menor sección S 1, como la presión se trasmite en todas direcciones por igual, se tendrá:

9 9 El desplazamiento del émbolo de menor diámetro debe ser mayor al del émbolo de mayor superficie, por tanto es necesario disponer de un depósito auxiliar que permita desplazar al émbolo mayor con varias emboladas o carreras del menor ya que los volúmenes del líquido que sale del cilindro menor será igual al volumen que llega al mayor. Ley de continuidad. Definiendo el caudal como el volumen de líquido que circula por unidad de tiempo, y teniendo en cuenta que los caudales que atraviesan cada sección han de ser iguales, Q 1 = Q 2, se deduce: Ley de continuidad que dice que las velocidades y las secciones son inversamente proporcionales. Como las secciones son circulares tenemos: Podemos decir que la velocidad será inversa al cuadrado del diámetro.

10 10 Teorema de Bernouilli. Energía hidráulica. Establecemos el siguiente balance energético: Una energía estática (energía potencial), debida a la masa y que depende de la altura de la columna sobre el nivel de referencia. Su valor mgh 1 y mgh 2. Una energía hidrostática debida a la presión. Su valor lo podemos medir por el trabajo desarrollado en cada zona: p 1 S 1 I 1 y p 2 S 2 I 2 (pS representa la fuerza). Una energía hidrodinámica (energía cinética), debida a la velocidad. Su valor en cada zona: 1/2 mv 1 2 y 1/2 mv 2 2. La suma de energías en una y otra zona será igual: Considerando que el producto SI representa el volumen, que será igual en ambas zonas, y que la masa es el producto de la densidad por el volumen (m = dV), dividiendo entre el volumen, tenemos la ecuación de Bernouilli para el flujo de un fluido en régimen estable:

11 11 Suponiendo una conducción horizontal h 1 = h 2, nos quedará: Vemos que si disminuye la velocidad debe aumentar la presión para que la igualdad se mantenga. Por la ley de continuidad: valor que sustituimos en la diferencia de presiones: de donde: Podemos hacer las siguientes consideraciones: Se puede despreciar la variación de energía potencial, pues los circuitos no presentan grandes desniveles en su montaje. La variación de energía cinética es pequeña debido a la pequeña masa de aceite ya que los tubos son muy estrechos. El transporte de energía por el aceite se debe fundamentalmente a su presión.

12 12 Potencia hidráulica. La potencia necesaria en una bomba hidráulica se puede calcular dividiendo la energía de presión entre el tiempo, sabiendo que el volumen dividido por el tiempo es el caudal, tenemos: En el SI las unidades son:P = potencia en W. p = presión en N/m2. Q = caudal en m3/s. η = rendimiento (entre 0,75 y 0,95) Pérdida de carga. La pérdida de carga, o caída de presión es la disminución de presión que experimenta un líquido al circular por un conducto. Deben ser lo más pequeña posible. Se calcula mediante: Donde: h f = pérdida de carga en altura de columna de líquido I = longitud del conducto, D = diámetro del conducto v = velocidad de circulación del líquido, g = gravedad ψ = coeficiente de fricción o rozamiento (adimensional) Recordar que multiplicando altura por densidad y por gravedad se obtiene la presión.

13 13 VENTAJAS DE LA HIDRÚLICA. INSTALACIONES HIRÚLICAS Fácil regulación de la velocidad. Reversibilidad instantánea de los accionamientos. Producción de grandes fuerzas. Los actuadores pueden detenerse en cualquier posición. La estructura de bloques de una instalación hidráulica responde al esquema: El motor eléctrico acciona la bomba. La bomba se encarga de generar la presión de trabajo y el caudal requerido por los elementos de trabajo. Los elementos de transporte, tuberías y racores, se encargan de transportar el fluido hasta el lugar de consumo. Los elementos de trabajo son los actuadores, tanto motores como cilindros que para su correcto funcionamiento utilizan elementos de regulación y control.

14 14 ELEMENTOS DE POTENCIA. BOMBAS HIDRÁULICAS. TIPOS Las bombas hidráulicas son los elementos que se encargan de impulsar el caudal hidráulico. Existen dos tipos: Hidrodinámicas. Son de tipo turbina. Su capacidad de presión depende de la velocidad de rotación. Se emplean para mover el fluido, pero no como elementos de presión, ya que pueden mover grandes caudales pero su presión de trabajo es pequeña. Hidrostáticas. Se emplean para automatización Características de las bombas. Valor nominal de la presión. Es la presión de trabajo para la que está fabricada la bomba. Caudal. Se suele expresar en l/min. Puede variar con la frecuencia de rotación. Desplazamiento. Es el volumen de líquido bombeado en una vuelta completa. El producto de este por las revoluciones dará el caudal. Rendimiento volumétrico. Es el cociente entre el caudal real y el teórico.

15 15 Rendimiento total. Es el cociente entre la potencia hidráulica que se obtiene y la potencia mecánica que consume. Bomba de engranajes. Es la más empleada en los mandos hidráulicos, especialmente móviles, por su sencillez y economía. La presión de servicio pede llegar a 200 bar, y la rotación entre 500 y 6000 rpm. Para calcular el caudal teórico tenemos: Siendo: z = número de dientes de una de las ruedas. m = módulo del dentado. h = longitud de los dientes en mm. n = rpm del engranaje. El caudal teórico habrá que multiplicarlo por el rendimiento volumétrico, que varía entre 0,75 y 0,85.

16 16 Bomba de tornillo. Constituidas por dos o tres tornillos helicoidales que engranan y ajustan entre si. Son muy silenciosas. El caudal lo da la expresión: Q = caudal en l/min. D e y D i = diámetros exterior e interior del tornillo en mm. s = paso del tornillo en mm. n = velocidad de giro en rpm. Bomba de paletas. También se construyen para caudal regulable pero son más caras. El caudal se calcula: Q = caudal en l/min. D = Diámetro interior de la carcasa en mm. e = excentricidad en mm. h = longitud de la paleta en mm. n = velocidad de giro en rpm.

17 17 Bomba de pistones. Se utilizan cuando son necesarias elevadas presiones, pueden llegar a 700 bar. La cilindrada es pequeña varia entre 0,5 y 100 cm 3, y las revoluciones de 100 a 3000 rpm. Su rendimiento volumétrico está en torno al 95%. Se puede modificar el caudal. Los pistones, absorben el aceite al expandirse y lo expulsan al comprimirse. Para obtener el caudal tenemos: Q = caudal en l/min. D = Diámetro del émbolo en mm. e = excentricidad en mm. z = número de émbolos. n = velocidad de giro en rpm. Se diferencia de la anterior en que los pistones se mueven en dirección axial en lugar de radial.

18 18 Unidad hidráulica. Depósito, filtro, manómetro, válvulas. La unidad hidráulica es el lugar donde se genera la potencia hidráulica (presión y caudal). Suele presentarse en un bloque cerrado donde que contiene el depósito, la bomba, el motor de accionamiento, las válvulas de seguridad, un manómetro un filtro y en ocasiones un radiador para eliminar el exceso de calor del aceite.

19 19 ELEMENTOS DE DISTRIBUCIÓN Y REGULACIÓN. VÁLVULAS Las válvulas son los elementos que sirven para gobernar los sistemas hidráulicos. Ellas regulan la presión, regulan el paso del fluido y gobiernan los elementos de trabajo. Válvulas distribuidoras. Son elementos hidráulicos que dirigen el paso del aceite haciendo posible el gobierno de los órganos de trabajo. En ocasiones también se emplean para gobernar (pilotar) otras válvulas dentro del circuito hidráulico. Válvulas de caudal. Son elementos de gobierno que se utilizan para modificar la velocidad de los elementos de trabajo variando el caudal de alimentación. Para ello se varía el orificio de paso en razón de la velocidad deseada.  Válvulas reguladoras de caudal fijo. Ofrecen una sección constante al paso del fluido. Se emplea para modificar de forma sencilla la velocidad de los órganos de trabajo cuando las condiciones de presión son bastante constantes.

20 20 Se origina una pérdida de energía que llamamos caída de presión que será: Δp = p e1 - p e2  Válvulas reguladoras de caudal variable. Producen una resistencia hidráulica ajustable. Se emplean para ajustar con sencillez la velocidad de los órganos de trabajo.  Regulación del caudal en función de la variación de presión. En ellas si Δp permanece constante con independencia de la presión de entrada, también permanece constante el caudal que pasa por el circuito de estrangulación, que es lo que pretendemos.  Válvulas reguladoras de caudal con antirretorno. Regulan el paso en un sentido y dejan que circule libremente en sentido contrario.

21 21 Válvulas reguladoras de presión. Definición y clases. Son elementos de gobierno que acondicionan la presión de la instalación a una presión constante de trabajo.  Válvulas limitadoras de presión. Limitan la presión de trabajo a un máximo admisible. Protegen a los circuitos hidráulicos contra las sobrecargas. Deben colocarse inmediatamente detrás de la bomba para evitar accidentes por sobrepresión. También se denominan válvulas de seguridad.  Válvulas reguladoras de presión (de 2 vías y de tres vías). Tienen por objeto reducir una presión de salida ajustable con respecto a una presión superior de entrada. Se utilizan en todos los circuitos en que se necesite una presión de salida rigurosamente constante. En la de tres vías, By Pass al llegar una presión determinada la válvula abre un segundo paso como si le añadiéramos una limitadora.

22 22 ELEMENTOS DE TRABAJO. CILINDROS Y MOTORES. Los elementos de trabajo sirven para convertir la energía de presión en movimiento de trabajo. Los lineales se denominan cilindros y los rotativos motores.  Cilindros de simple efecto. Transforman la energía de presión en un movimiento rectilíneo. El impulso activo se produce en un solo sentido. La recuperación se produce por un muelle. Se utilizan cuando se requiere un trabajo de compresión, levantar, sujetar, introducir, expulsar, etc..  Cilindros de doble efecto. Realizan trabajo tanto en la carrera de avance como en la de retroceso.  Motores hidráulicos. El motor hidráulico entrega un par motor en el eje de salida. Convierte la energía hidráulica en energía mecánica. Su funcionamiento es inverso al de las bombas. Se suelen emplear motores de engranajes, de paletas y de pistones. Su configuración es semejante a las bombas de la misma denominación.

23 23 Motores de engranajes. Se emplean por ser sencillos y económicos. Son de reducido tamaño. Giran en ambos sentidos. Motores de paletas. Son de empleo muy frecuente. Motores de pistones. Son los más utilizados. Los hay de pistones radiales y axiales, y de cilindrada fija y variable. A igualdad de potencia presentan menor velocidad que los eléctricos pero presentan un par mucho mayor. SIMBOLOGÍA HIDRÁULICA  Conductos de conexión y tomas

24 24  Bombas.  Cilindros.  Fuentes de energía.

25 25  Gobierno de cilindros.

26 26  Distribuidores y válvulas.

27 27  Varios.

28 28 EJEMPLOS DE APLICACIÓN Gobierno de un cilindro de simple efecto. El grupo de accionamiento está formado por el motor, la bomba y la válvula limitadora de presión que eleva la presión de aceite necesaria en la instalación hasta la presión de trabajo. El manómetro indica la presión de trabajo. El cilindro de simple efecto es accionado por una válvula 3/2 de accionamiento manual y retorno por muelle, normalmente cerrada. Al ser accionada la válvula conmuta su posición y permite el paso del fluido hasta el cilindro, este avanza recorriendo todo su recorrido. Al ser nuevamente accionada el aceite a presión sale del cilindro.

29 29 Mando de un cilindro de doble efecto. En este caso la diferencia consiste en la utilización de una válvula distribuidora 4/2

30 30 Mando de un cilindro de doble efecto mediante válvula 4/3 La válvula 4/3 ofrece la particularidad de que, cuando está en la posición central, el aceite pasa directamente al depósito. Al accionar la posición (1), la válvula conecta la entrada de presión P con el conducto de trabajo B y el conducto de trabajo A con el escape a depósito R, con lo que el vástago del cilindro avanza. Si se acciona la posición (3) ocurre lo contrario: se conecta P con A y B con escape, con lo que el cilindro retrocede. Si en cualquier momento se conmuta la válvula a la posición (2), el movimiento del cilindro se interrumpe.

31 31 Regulación de la velocidad de avance de un cilindro. El cilindro de doble efecto está accionado por una válvula 4/2 de accionamiento manual y retorno por muelle, NC. La regulación de velocidad se consigue poniendo una válvula de regulación de caudal en la entrada del cilindro, con lo que además, el aceite de retorno del cilindro tiene una presión menor.

32 32 Regulación del caudal de entrada. El cilindro de doble efecto se acciona con una válvula 4/3 de accionamiento manual en el avance y NC. La regulación del caudal se consigue con la válvula limitadora de presión, colocada a la salida del cilindro.

33 33 Regulación de presión. Al controlar la válvula distribuidora 4/3 con accionamiento mecánico NC, el aceite que no puede circular a través del antirretorno es obligado a través de la válvula reguladora de presión, con lo que se garantiza un nivel de presión constante en el avance del cilindro. En la carrera contraria del cilindro (retroceso), el aceite de la cámara del lado del émbolo pasa por la válvula antirretorno.