UCSM
OLEOHIDRAULICA OLEOHIDR AULICA
“FUNDAMENTOS” 1.0
FLUIDO. Es toda aquella sustancia cuyas moléculas gozan de gran movilidad unas con respecto a otras, de tal manera que estos cuerpos toman espontáneamente la forma del recipiente que los contiene.
2.0
CLASIFICACION A los fluidos se los puede clasificar de muy diversas maneras. Una de estas clasificaciones toma en cuenta su densidad. DENSIDAD. Es la relación: Masa / Volumen
ρ =
m V
FLUIDO COMPRESIBLE. Aquellos que varían su densidad. Por ejemplo el aire (Neumática)
2.1
2.2 FLUIDO INCOMPRESIBLE. Aquellos que no varían su densidad. Por ejemplo el aceite (Hidráulica)
LOS GASES SON COMPRESIBLES.
LOS LÍQUIDOS SON INCOMPRESIBLES.
3.0
HIDROSTATICA - HI HID DRODINAMICA
1
UCSM
OLEOHIDRAULICA OLEOHIDR AULICA
Una de las clasificaciones para el estudio de los fluidos es por su velocidad: 3.1
HIDROSTATICA: Estudio de los fluidos en reposo. En hidráulica hidráulica consideraremos a un fluido fluido en “reposo” “reposo” cuando la energía de velocidad es comparativamente pequeña en comparación con la energía de presión. Es decir a pesar que el fluido este en movimiento, la energía de presión es la que predomina, de aquí que se denomine a los sistemas hidráulicos (oleohidráulicos) (oleohidráulicos) como SISTEMAS HIDROSTATICOS.
F
A
p
3.2
4.0
HIDRODINAMICA: Estudio de los fluidos en movimiento. En los SISTEMAS HIDRODINAMICOS la energía que predomina es la energía de velocidad. Por ejemplo los Convertidores de Par* utilizan la energía de velocidad del fluido hidráulico. * Sistema que utilizan la maquinaria maquinaria pesada para su desplazamiento a partir de la alta velocidad de la volante del motor con bajo torque transformado a alto torque y baja velocidad. Una turbina Pelton transforma la energía de velocidad del fluido que ha obtenido como consecuencia de la energía geodésica o potencial.
DEFINICIONES PRELIMINARES
2
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OLEOHIDRAULICA OLEOHIDR AULICA
Una de las clasificaciones para el estudio de los fluidos es por su velocidad: 3.1
HIDROSTATICA: Estudio de los fluidos en reposo. En hidráulica hidráulica consideraremos a un fluido fluido en “reposo” “reposo” cuando la energía de velocidad es comparativamente pequeña en comparación con la energía de presión. Es decir a pesar que el fluido este en movimiento, la energía de presión es la que predomina, de aquí que se denomine a los sistemas hidráulicos (oleohidráulicos) (oleohidráulicos) como SISTEMAS HIDROSTATICOS.
F
A
p
3.2
4.0
HIDRODINAMICA: Estudio de los fluidos en movimiento. En los SISTEMAS HIDRODINAMICOS la energía que predomina es la energía de velocidad. Por ejemplo los Convertidores de Par* utilizan la energía de velocidad del fluido hidráulico. * Sistema que utilizan la maquinaria maquinaria pesada para su desplazamiento a partir de la alta velocidad de la volante del motor con bajo torque transformado a alto torque y baja velocidad. Una turbina Pelton transforma la energía de velocidad del fluido que ha obtenido como consecuencia de la energía geodésica o potencial.
DEFINICIONES PRELIMINARES
2
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OLEOHIDRAULICA OLEOHIDR AULICA
HIDROSTATICA: 4.1
LEY DE PASCAL Los efectos de una fuerza sobre un fluido en reposo se propagan a través de todo el fluido. La presión en un fluido fluido es igual a la intensidad intensidad de la fuerza aplicada aplicada sobre un área. F
p
=
F A
A
p =
F A
EN UN RECIPIENTE CERRADO LA PRESION SE TRASMITE IGUAL Y EN TODOS LOS SENTIDOS
4.2
PRESION COMO CONSECUENCIA DEL PESO DEL FLUIDO El peso del fluido genera presión a una determinada altura de profundidad. profundidad. El peso del fluido se evalúa como y la altura como h .
p
γ
h
= × γ
h
p = γ × h
Este parámetro es insignificante insignificante en oleohidráulica, oleohidráulica, ya que las alturas de los equipos es solo del orden de pocos metros (Los equipos oleohidráulicos oleohidráulicos son muy compactos).
HIDRODINAMICA: Los principios básicos que rigen el comportamiento de los fluidos en movimiento son:
3
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OLEOHIDRAULICA OLEOHIDR AULICA
CONSERVACION DE LA MASA
4.3
•
m = ρ × Q = ρ 1 × v1 × A1
= ρ 2 ×
v2
×
=
A2
Cte .
•
“El flujo masico m permanece constante” .
m 2 = ρ 2 .m2 . A2
COMPRESOR
.
.
m1 = m2 .
m1 = ρ 1.m1. A1
ECUACION DE CONTINUIDAD A partir de la ecuación anterior, para el caso de un fluido incompresible como el aceite ( ρ = ρ1 = ρ2= Cte)
4.3.1
v1. A1
Donde: Q
v2 . A2
Cte.
=
=
=v× A
De aquí que en una tubería tubería de diferente diferentess diámetros, diámetros, el aceite aceite va a tener tener diferentes velocidades. En los tramos de menor diámetro, se desplazará a mayor velocidad y en los tramos de menor diámetro, se desplazará a menor velocidad pero el caudal permanecerá constante. A
Q
A
1
v1
2 2
v2
D BOMBA HIDRAULICA
Q
M
v
1
Q
2
Q
A1 < A2 v1 > v 2 Q1 = Q2
4.4
1
D1 < D2 v1 > v 2 Q1 = Q2
CONSERVACION DE LA ENERGIA (PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA) •
E ingresa
4
•
= E sale
v Q
2
2
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OLEOHIDRAULICA OLEOHIDR AULICA
A C I L U A R D I H
1 E L A S
E
E
SUPERFICIE DE CONTROL
INGRESA
MECANICA
E
SALE 2
PERDIDAS
E INGRESA = E SALE 1 + E SALE 2
4.5
ECUACION DE BERNOULLI En un fluido incompresible, no viscoso, SIN ROZAMIENTO, cualquier punto de una línea línea de corrie corriente nte tiene tiene los sigui siguient entes es tipos tipos de energí energíaa cuya cuya suma suma perman permanece ece constante: E PRESION
m
p ρ
E
+ VELOCIDAD
E
+ POSICION
Cte
=
2
+m v +mgh =Cte 2
HIDROSTATICA HIDRODINAMICA -
Si predomina el término
m
p
de la energía de presión tendremos un sistema
ρ
hidrostático.
-
Si predomina predomina el término término
m
v2 2
de la energía de velocidad tendremos un
sistema hidrodinámico. hidrodinámico. Las unidades de la ecuación anterior son de energía, en cambio es muy común expresar la ecuación de Bernoulli en términos de altura: p γ
+
v2 + h = Cte 2 g
Normalmente la E POSICION ≈ 0 p γ
+
p↑ ⇒ v ↓ p↓ ⇒ v ↑
v2 = Cte 2 g
Ensanchamiento Estrangulamiento 5
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OLEOHIDRAULICA OLEOHIDR AULICA
v3 ↓
v1 ↓ p1 ↑
p3 ↑
v2 ↑
p
p
p2 ↓
1
p Q
v
v
1
3
2
v
2
Q
3
En un fluido incompresible, viscoso, viscoso, CON ROZAMIENTO en dos puntos puntos de una línea línea de corriente se establece: establece: E PRESION 1
EVELOCIDAD1
+
E POSICION 1
+
E PRESION
=
2
E
+ VELOCIDAD
2
EPOSICION 2
+
PERDIDAS 1
+
2
Q 1
Q E E E
PERDIDAS ENERGETICAS
presión 1
1-2
E E E
presión 2 velocidad 2 posición 2
velocidad1 posición 1
Donde el término: PERDIDAS PERDIDAS1−2
= PERDIDAS + PERDIDAS PERDIDAS PRIMARIAS PERDIDAS SECUNDARIAS PRIMARIAS SECUNDARIAS
PERDIDAS PRIMARIAS PRIMARIAS
= Funci Función ón (Tipo (Tipo de Flujo Flujo,, Viscos Viscosida idad, d, Tempe Temperat ratura ura,,
Rozamiento, Velocidad, Diámetro, Longitud Longitud de la tubería, etc. ) PERDIDAS SECUNDARIAS = Func Funció iónn ( Velo Veloci cida dad, d, Form Formaa de la tube tuberíría, a, Codo Codos, s, Válvulas, Accesorios, etc)
5.0
PRESION DEBIDA A LA FUERZA. Todo cuerpo ejerce una presión p sobre la superficie en la que se apoya, cuya magnitud depende de la fuerza F del peso del cuerpo y la superficie A en la que se apoya dicho cuerpo. p =
F A
De esta relación:
F
6
=p ×A
A =
F p
2 −
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OLEOHIDRAULICA
En la figura, se tiene el mismo cuerpo ubicado de distinta manera, luego se ejercerán diferentes presiones sobre las superficies de apoyo.
F
= 5000 N F
F
A1 = 2 m 2 A2 = 1 m 2
A2
A1
Luego:
p1
=
5000 N 2m
2
= 2500
N m
p2
2
=
5000 N 1m
2
= 5000
N m
2
De la misma manera en los sistemas oleohidráulicos: “ Si se aplica la misma fuerza: A mayor área, menor presión; A menor área, mayor presión ” F
F
p
p A
A
1
2
Aplicación: Un Bombin (Bomba de pistón) de una gata hidráulica, mientras mas delgado (pequeño en términos de menor área) podrá levantar mayor presión.
7
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OLEOHIDRAULICA
5.1 PRESION EN UN CILINDRO HIDRAULICO
5.2 PRESION EN UN MOTOR HIDRAULICO
F
p
p A
p
F p = A
= M * 2 * π V . A.
M = Momento o Torque ( N - m ) V . A.
8
Volumen Absorbido ( m 3 / rev )
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Mandos Hidráulicos
Ejemplo: Determine la presión (psi) que indica el manómetro en los siguientes casos: a) F = 10000 lbf A1 = 10,0 pul 2 A2 = 3,5 pul 2 p = p
=
10 pul
F A 10000 lbf [10 − 3,5] pul 2
p
3,5 pul
2
2
= 1538 psi 10000 lb-f
b) F = 10000 lbf A1 = 10,0 pul 2 A2 = 3,5 pul 2 p = p
10000 lb-f
F A
2
10 pul
2
= 10000 lbf = 1000 psi 2 10 pul
p
6.0
3,5 pul
MULTIPLICACION DE LAS FUERZAS Un sistema tiene la configuración mostrada :
F2 F1
p1
A1
A2 p 2
Las presiones se calculan de la siguiente manera: p1
=
F 1 A1
p2 =
F 2 A2
Aplicando la Ley de Pascal “La presión en todos los puntos del fluido es la misma”, por lo tanto: p1
=
9
p2
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Mandos Hidráulicos
F 1 A1
=
F 2 A2
“Las fuerzas son proporcionales a sus respectivas áreas” Aplicando una fuerza pequeña sobre un área pequeña, se obtiene una fuerza grande aplicada sobre un área grande También:
F 2
A = 2 F 1 A1
“ La fuerza de salida es igual a la fuerza de entrada multiplicado en el factor ( A2 / A1 )” Ejemplo 1: En la figura mostrada determine el peso ( kgf ) del elefante que sostiene el peso del gato
= 10000 cm2 A1 = 1 cm 2
A2
F 1 = 1 kgf ( Peso del gato ) 2
10000 cm ×1 kgf F 2 = 2
Solución:
1 cm
F 2
= 10000 kgf ( Peso del elefante )
“Con poca fuerza aplicada se puede obtener grandes fuerzas de trabajo” Ejemplo 2: En el recipiente mostrado: 50 kg-f
A 100 φ 20 φ
B
En el punto A se aplica una fuerza de 50 kg-f . a) Graficar la presión dentro del recipiente. b) Determinar la presión ( kg-f /cm2 ) c) Determine la fuerza ( kg-f ) que se puede desplazar en el punto B. Solución : a) Diagrama de 10
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Mandos Hidráulicos
presiones:
50 kg-f
A 100 φ 20 φ
B
b) Cálculo de la presión: p
= F
p
=
4
7.0
F = p × A
A 50 kgf π 2 2
c) Cálculo de la fuerza F en el punto B: 2 kgf 10 π cm 2 × 2 4 cm F = 1250 kgf
= 15,91 kgf 2
F = 13
cm
cm 2
DIVISION DE DISTANCIAS En el diagrama: Al aplicar la fuerza F1 el embolo 1 se desplazará hacia abajo una determinada distancia S 1, lo cual determinará el desplazamiento de una determinada cantidad de volumen de aceite, lo cual hará que el émbolo 2 se desplace hacia arriba una determinada distancia S 2. Como el fluido (Aceite Hidráulico) es incompresible el volumen desplazado por el embolo 1 es igual al volumen desplazado por el embolo 2.
F2 EMBOLO 1 A1
EMBOLO 2
F1
2 S
1 S
A2
V1 = S1 x A1 V1 = V 2
V2 = S 2 x A S1 x A 1 = S 2 x A 2 S 1 S 2
=
A2 A1
El desplazamiento S es inversamente proporcional a las áreas. 11
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Mandos Hidráulicos
Conclusión: “Lo que se gana en fuerza, se pierde en desplazamiento”. Ejemplo: F2 F1
2 S
A1
1 S
A2
Si el émbolo 1 se desplaza 10 cm el émbolo 2 se desplazara: S 2
8.0
A = 1 S 1 A2
S 2
1cm2 = × 10cm = 0,01mm 10000cm2
Si el émbolo sobre el que descansa el gato se desplaza 10 cm, el émbolo sobre el que descansa el elefante solo se desplaza 1 centésima de mm !!. Esto nos lleva a la necesidad de introducir una máquina que proporcione el desplazamiento; así el émbolo donde descansa el gato se puede sustituir por una bomba de pistones accionada por un motor eléctrico. MULTIPLICADOR DE PRESIONES En la figura mostrada: la presión p 1 ejercida sobre un área A 1 ejerce una fuerza F 1, la cual es transmitida mediante el vástago al émbolo pequeño. En este caso, se genera en el émbolo pequeño una presión p 2 que será de mayor magnitud que p 1, debido a que su área de aplicación A2, es menor, para una misma fuerza F 2 que es igual a F 1.
p A
1
p
2
1
A
F
F
1
F1 = p1 x A1 F1 = F2
2
2
F 2 = p 2 x A2 ( SISTEMA EN EQUILIBRIO )
p1 x A1 = p2 x A2 Luego: p1 p2
=
A2 A1
“Las presiones generadas son inversamente proporcionales a las áreas” 12
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Mandos Hidráulicos
También: p2
A = × p A 1
1
2
Ejemplo: D1 = 5 cm D2 = 2 cm p1 = 100 bar Calcular p 2 ( bar ): Solución: A1
=π
D12
4
= π
52 4
2
= 19,6cm
2
p2
A2
=π
D2
4
= π
22 4
= 3,14cm2
19 ,6cm3 = × 100bar = 624bar 3,14 cm2
Un cálculo aproximado sería: A1
=π
D12 4
2
= π
5
4
≈ 25cm
2
p2
9.0
A2
=π
D22 4
= π
2
2
4
≈ 4cm
2
25cm2 ≈ × 100bar ≈ 600bar 4cm2
UNIDADES DE PRESION En el S.I. 1 Pa
=
N m2
Un múltiplo del Pascal es el bar: 1 bar = 100000 Pa = 10 5 Pa 1 bar = 0,1 MPa También se utiliza el Mpa: En el Sistema Técnico: 1kgf / cm
2
En el Sistema Inglés : 1lbf /
pul 2
1 psi
=
Otros: Atmósferas Metros de columna de agua Milimetros de mercurio
( atm ), ( m H2O ), ( mm Hg )
En la industria de nuestro país se emplean indistintamente, equipos cuyos indicadores de presión se encuentran en cualquiera de las unidades mencionadas, razón por la cual es importante saber la equivalencia entre cada una de ellas:
atm 1 0,968 0,987 9,87 x 10 -4
kgf/cm2 1,033 1 1,02 1,02 x 10 -5
bar 1,013 0,981 1 10-5
13
Pa=N/m2
psi=lbf/pul2
m H2O
5
14,662 14,194 14,468 1,447 x 10 -4
10,33 10 10,2 10,2 x 10 -5
1,013 x 10 98100 10 5 1
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Mandos Hidráulicos
0,068
0,070
0,069
6910,8
1
0,705
Por ejemplo la tabla funciona así: 1bar = 0,987atm = 1,02
kgf cm 2
= 10
5
N m2
= 14,468 psi = 10,2m H
2o
Ejemplo:
Convertir 3000 psi a bar 1bar 3000 psi × 14,50 psi = 206,90bar
Aplicación: En la práctica se usa frecuentemente los valores “ aproximadamente” para hacer las respectivas conversiones: Aproximadamente : 1bar
Así: 100 psi
10.0
1atm
≈
1
≈
kgf cm 2
15 psi
≈
10m H
≈
2
o
760mm Hg
≈
6 - 7 bar ( 100 psi equivale aproximadamente de 6 a 7 bar )
MEDICION DE LA PRESION Para medir la presión se toma como base dos escalas de medida. ⇒ Escala de Presión Absoluta. Toma como punto de partida el Cero Absoluto, que es el punto donde no existe presión ( Vacío total ). ⇒ Escala de Presión Relativa o Manométrica . Toma como punto de partida la Presión Atmosférica. A la medida de presión en la escala absoluta de 1 atmabsoluta le corresponde la medida de presión en la escala relativa de 0 atmrelativa ó 0 atmmanometrica Luego: p ab so lut a
=
pat mosf eric a
+
pma nom et ric a
En el siguiente diagrama podemos ver la relación entre estas dos escalas:
14
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Mandos Hidráulicos p
p
absoluta (atm)
manometrica (atm)
A 3
2
2
1 a c i r t e m o n a m . p
CERO MANOMETRICO 1 0,8
a t u l o s b a
0
n o i s e r p a c i r e f s o m t a . p
0
B
-0,2
a t u l o s b a . p
o i c a v . p
a c i r e f s o m t a . p
CERO ABSOLUTO
Para el punto A el valor de la presión en la escala absoluta es de 3 atmabsoluta mientras que el valor de la misma presión en la escala relativa o manométrica es de 2 atmrelativa o simplemente 2 atm . Observe: Que a las unidades se le ha agregado el término absoluto y relativo para poder distinguir la escala a que se esta haciendo referencia. Cuando tratemos el termino “ presión” nos estaremos refiriendo a la “ presión manométrica o relativa”. Las presiones absolutas no tienen valores negativos.. Las presiones relativas o manómetricas pueden tener un valor máximo negativo de 1 atm . Para el punto B el valor de la presión absoluta será de 0,8 atmabsoluta , mientras que el valor de presión manómetrica será de - 0,2 atmrelativa . A las presiones que se encuentran por debajo de la presión atmosférica se denominan: presión de vacío o presión negativa o presión de succión o depresión.
Casi la totalidad de instrumentos están expuestos a la presión atmosférica, por lo que el valor que medirán será un valor por arriba ( o por debajo ) de la presión atmosférica; en otros términos medirán el valor de sobre presión ( o de depresión ) con respecto de la presión atmosférica. Los instrumentos que miden la presión tomando como referencia la presión atmosférica se denominan MANOMETROS. Los instrumentos que miden la presión negativa o depresión se denominan VACUOMETROS. 15
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Mandos Hidráulicos
Los instrumentos que miden la presión atmosférica se denominan BAROMETROS. Las presiones absolutas se miden comúnmente en forma indirecta: con un Manómetro y un Barómetro. En la práctica predominan totalmente las presiones Manométricas o Relativas. 10.1
MANOMETRO El manómetro de Bourdon es el instrumento más importante que se utiliza en oleohidráulica. Nos indica el valor de la presión relativa (sobrepresión) y puede tener comúnmente unidades: bar, psi, kg/cm 2, etc. Consta de los siguientes elementos: 1 2 3 4
Carcasa Muelle tubular Palanca Segmento de cremallera
5 6 7 8
Piñón Aguja Escala Estrangulación
El muelle tubular es desdoblado por una sobrepresión p. Tanto mayor la presión, tanto mayor es también la abertura del radio de doblado. Este movimiento se transmite a la aguja mediante la palanca, el segmento de cremallera y el piñón. La sobrepresión puede leerse en la escala. En la parte conectada del manómetro se encuentra el punto de estrangulación que tiene por objetivo amortiguar las sobrepresiones ( picos de presión ) y hacer una lectura mas estable. Comúnmente esta inmerso en glicerina la que amortigua las vibraciones de la aguja, sin este fluido de alta viscosidad la aguja vibraria y se deterioraria rapidamente.
16
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Mandos Hidráulicos
UNIDAD 3 “CAUDAL Y GENERACION DE PRESION” 1.0
CAUDAL 1.1
FLUJO VOLUMETRICO El caudal es el flujo volumétrico. Es decir es el volumen de fluido V que fluye por un punto en el tiempo t.
Q=
t
V t
12 3
9
V
6
Ejemplo: Si queremos llenar un depósito cuyo volumen es de 20 litros en el tiempo de dos minutos, se necesita un caudal: Q=
V t
=
20l 2 min
= 10
l min
Aplicación: Con este concepto es posible determinar el caudal que entrega una bomba con solo contar con un recipiente graduado y un reloj o cronómetro. Como aplicación practica podríamos determinar el caudal (
l ) que entrega el caño de su casa, con la ayuda min
de un balde con volumen conocido (comúnmente de 10 a 30 litros) y un reloj. 1.2 CONTINUIDAD Por continuidad, para fluidos incompresibles, el caudal es el producto de la Velocidad por el Area. Q
A =v ×
Q1 = Q2 v1 × A1 = v2 × A2
Es muy común usar una relación alternativa que toma en cuenta la conversión de unidades
17
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Mandos Hidráulicos Q⇒ Q = 6×v × A
Donde:
v
⇒
l min m
s A ⇒ cm 2
Aplicación:
Q
D
EMBOLO
=Q
Q
VASTAGO
≠Q
1
BOMBA HIDRAULICA Q
M
=Q
DESCARGA
Q
D
0
Q
SUCCION
=Q
La bomba envía caudal constante hacia el sistema en forma continua. La bomba toma aceite del tanque y lo envía hacia el sistema. La línea de succión tiene un mayor diámetro que la línea de descarga: Luego concluimos: - “El caudal es el mismo en la línea de succión y en la línea de descarga” - “La velocidad en la zona de succión es menor que en la zona de descarga ” - “El caudal en la tubería es igual al caudal en la zona del embolo del pistón” -
“La velocidad del fluido es mayor en la tubería que en la zona del embolo del pistón”
-
“El caudal en el lado del émbolo es diferente al caudal al lado del vástago del cilindro”.
-
“La velocidad es la misma al lado del émbolo que al lado del vástago.
OBSERVACIONES: •
El teorema de continuidad se aplica a una línea de corriente por lo que el caudal en el lado del embolo del cilindro es diferente al caudal en el lado del vástago POR QUE NO HAY CONTINUIDAD: Q3 ≠ Q4
•
El desplazamiento del volumen de aceite determina la velocidad del actuador. Luego: “Si un actuador pistón o motor está lento es porque no le llega suficiente caudal y no porque le falte presión“
•
La RAPIDEZ CON QUE SE TRANSMITE LA SEÑAL ES DE:
18
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Mandos Hidráulicos
vTRANSMISIO N −SEÑAL = 600 •
m s
Como se observa los caudales y las áreas determinan la velocidad del fluido. Estas velocidades del fluido están limitadas por las perdidas de energía que causan debido al rozamiento entre el fluido mismo y el rozamiento con las tuberías por lo que se recomienda las siguientes velocidades máximas en las tuberías de Sistemas Hidraulicos: VELOCIDAD v < 1,5 m/s v < 3,0 m/s v < 5,0 m/s v < 1,0 m/s
Líneas de Succión Líneas de Retorno a Tanque Líneas de Presión Velocidad de los Actuadores
Ejemplo 1: Determinar el caudal Q en l/min i en GPM que llega al pistón si tiene una velocidad de salida de 0,1 m/s
Q
100 LLEGA AL PISTON
50
unidades: mm Q
v = 0,1 m / s
M
S A L E D E L P I S T O N
Q
Solución: v A
= 0,1
=π
m s
D 2 4
= π
Q = 6×v× A
Q
10 2 4
= 78,54cm 2
m
l
s
min
= 6 × 0,1 × 78,54cm 2 = 47 ,13
l 1GPM Q = 47 ,13 x l min 3,785 min
=12,45
Ejemplo 2: Determinar el caudal Q ( l/min ) que sale del pistón para el ejemplo anterior. Solución: v
= 0,1
m s 19
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Mandos Hidráulicos
D 2 − d 2 10 2 − 5 2 π = π = = 58,90cm 2 4 4 Q = 6×v × A
A
Q
1.3
m
l
s
min
= 6 × 0,1 × 58,90cm 2 = 35,34
CAUDAL EN UNA BOMBA O MOTOR EN REGIMEN CONTINUO DESPLAZAMIENTO VOLUMETRICO Una bomba ( o motor ) tiene una característica geométrica muy importante denominada desplazamiento volumétrico DV o volumen de expulsión definida como el volumen de fluido que desplaza o que impulsa en una revolución ( cm 3 / rev ). Si una bomba ( motor hidráulico ) gira n revoluciones por cada minuto el caudal que envía (recibe) será:
BOMBA HIDRAULICA característica fisica =
D.V.
n Q
= DV × n
Q = DV.n
Ejemplo: Calcular del caudal ( GPM ) que impulsa una bomba de engranajes si tiene un desplazamiento volumétrico DV de 10 cm 3 por revolución y esta acoplada a un motor eléctrico de 1800 rpm. Solución: Revoluciones:
n
= 1800 RPM = 1800
Desplazamiento Volumétrico:
DV
Q = DV
rev min
= 10cm
= 1800
1 min
= 1800min −1
3
×n
cm 3 rev Q = 10 × 1800 rev min 3 cm l Q = 18000 = 18 min min 1Galon l Q = 18 × = 4,76GPM min 3,785l
Aplicaciones:
20
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1.4
Mandos Hidráulicos
-
El Desplazamiento Volumétrico es el parámetro mas importante para la selección de una bomba o motor hidráulico.
-
El Desplazamiento Volumétrico es sinónimo de tamaño o Volumen: “Una bomba pequeña tendrá un DV pequeño e impulsa poco caudal y una bomba grande tendrá un DV grande e impulsa bastante caudal”.
-
El Desplazamiento Volumétrico de una bomba o motor hidráulico se puede determinar aproximadamente en forma práctica llenando las cavidades de la bomba con aceite hidráulico y luego se vierte este volumen en un recipiente graduado. Este valor se multiplica por las rpm del motor que accionará a la bomba (Si es eléctrico: 1800 rpm, 3600 rpm; Si es de combustión interna 1500...3000 rpm).
-
También se puede evaluar el desplazamiento volumétrico a través de relaciones geométricas de su estructura interna que están en función del tipo de bomba.
MEDICION DEL CAUDAL La forma más sencilla de medir el caudal es utilizando un recipiente graduado y un cronómetro ( t ), no obstante es recomendable emplear caudalímetros.
1.4.1
( V )
CAUDALIMETRO Instrumentos que miden el caudal Se representan:
Tipos: - TURBINAS DE MEDICION: Sus revoluciones indican la magnitud del caudal; es decir, las revoluciones son proporcionales al caudal.
Q ≈
3
21
5
4
0
n
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- DIAFRAGMA: La pérdida de presión medida en el diafragma es proporcional al cuadrado del caudal. “Un aumento en el caudal produce un aumento cuadrático de la caida de presión”. p
p
1
2
∆ p
Q2
≈ ∆ p
Se muestra un caudalimetro de 0... 5 l/min cuyo principio es la caida de presión en el elemento móvil:
2.0
GENERACION DE LA PRESION “La presión se origina, cuando el caudal encuentra una resistencia a su desplazamiento”. Definiciones previas: BOMBA OLEOHIDRAULICA VALVULA DE SEGURIDAD
: :
V. DE ESTRANGULAMIENTO :
Envía caudal al sistema. Válvula que apertura (deja pasar al fluido) al valor en presión al que ha sido regulada. Genera resistencia al paso del fluido.
Se muestra una bomba que envía un caudal de 10 l/min. , tiene su salida conectada a una válvula de seguridad regulada a 80 bar y a una válvula de apertura – cierre. Si la válvula de apertura – cierre esta totalmente abierta, no hay resistencia; el caudal que envía la bomba pasa libremente y la presión en el manómetro marca cero (realmente el manómetro debe de indicar un pequeño valor debido a la fricción y a las pérdidas de energía en la tubería).
22
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Mandos Hidráulicos VALVULA APERTURA - CIERRE
0 bar BOMBA
10 l/min
VALVULA DE SEGURIDAD
A medida que se va cerrando la válvula, se va aumentando la resistencia al paso del fluido y la lectura en el manómetro empezará a aumentar, y si seguimos cerrando, la presión aumentará sin límite debido a que la bomba siempre envía 10 l/min. p ↑
VALVULA APERTURA - CIERRE
BOMBA
10 l/min
VALVULA DE SEGURIDAD
Pero al llegar a 80 bar, se abre la válvula de seguridad y deja pasar todo el fluido, no dejando que la presión sobrepase este límite. Por ello es importante la válvula de seguridad.
p = 80 bar BOMBA
10 l/min
VALVULA DE SEGURIDAD
23
VALVULA APERTURA - CIERRE
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Mandos Hidráulicos
Cuando los fluidos se desplazan tienen varias alternativas de caminos a seguir: 2.1
CAMINOS ALTERNATIVOS CON RESISTENCIA DIFERENTE, EN PARALELO: “Cuando los caminos alternativos en paralelo ofrecen resistencias diferentes el fluido toma el camino de menor resistencia”. Ejemplo: En la figura si las tuberías A, B y C, ofrecen resistencias al paso del fluido de 10 bar, 30 bar, y 50 bar respectivamente, y la bomba envía 10 l/min de caudal. Al tener varias alternativas de circulación el fluido pasará por el camino que menor resistencia le ofrece, en este caso la tubería A y el manómetro marcará 10 bar . OFRECE UNA RESISTENCIA EQUIVALENTE A 10 BAR
A
10 bar
OFRECEUNA RESISTENCIA EQUIVALENTE A 30 BAR
BOMBA
B OFRECEUNA RESISTENCIA EQUIVALENTE A 50 BAR
C
Si se bloquea el tubo A, el manómetro marcará 30 bar. ( menor resistencia entre las tuberías de las alternativas B y C ).
24
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Mandos Hidráulicos CERRADO
A
30 bar
OFRECE UNA RESISTENCIA EQUIVALENTE A 30 BAR
BOMBA
B OFRECE UNA RESISTENCIA EQUIVALENTE A 50 BAR
C
Si se bloquea las tuberías A y B el fluido pasara por la tubería C indicando el manómetro 50 bar. 2.2
CAMINO CON RESISTENCIAS DIFERENTES, EN SERIE “Cuando hay solo un camino con diversas resistencias, las resistencias evaluadas en términos de presión se suman. Ejemplo: En este caso, la presión indicada en el manómetro es la resistencia equivalente a la suma de las resistencias de 30 bar y 10, es decir 40 bar.
40 bar
OFRECE UNA RESISTENCIA EQUIVALENTE A 30 BAR
OFRECE UNA RESISTENCIA EQUIVALENTE A 10 BAR
B
C
BOMBA
Si se invierten las resistencias igualmente la presión indicada por el manómetro será la suma de las dos resistencias, es decir 40 bar.
2.3
CAIDA DE PRESION Cuando el fluido pasa por un paso restringido o cualquier elemento que le representa resistencia, se produce una diferencia de presión (caída de presión). Se denomina caída 25
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de presión, puesto que si un fluido circula por un orificio, la presión a la salida del orificio, (en el sentido de la corriente), es menor que la presión a la entrada.
∆ p =
p1 − p2
10 bar
40 bar
∆ p =40 −10 ∆ p =30 bar C
B
∆ p = 30 bar
Dicha caída de presión depende principalmente de la velocidad con que circula el fluido p =kv ∆
2
Pero influyen una serie de parámetros como: - La viscosidad del fluido - La temperatura del fluido - El área (diámetro) del estrangulamiento - El caudal que realmente circula - La rugosidad - La longitud - La forma del conducto. Ejemplo: Si a través de la misma tubería circula mayor caudal la caída de presión aumenta.
20 bar
180 bar ∆ p =180 ∆ p =160
- 20 bar
B
C p
160
bar
Lógicamente si no hay caudal, la caída de presión es cero. (La presión es igual en todos los puntos de un recipiente que mantiene a un fluido en reposo) .
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20 bar
20 bar
∆ p = 20 −20 ∆ p = 0bar B
C
∆ p = 0 bar
Estos valores los podemos representar a través del gráfico: ∆ p = kQ
2
PERDIDAS EN FUNCION DEL CAUDAL 120 100 ) p 80 A ( S 60 A D I D R 40 E P
20 0 0
1
2
3
4
5
6
7
CAUDAL ( Q )
La generación de presión es sinónimo de energía disponible. Las caídas de presión son sinónimos de energía pérdida. Por efecto de las caídas de presión se condicionan los diseños, tamaños, formas, etc. La importancia de estos temas radica en que leyendo los valores de presión correspondientes es posible diagnosticar el funcionamiento o la falla de un sistema hidráulico.
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Estructura de un sistema Hidráulico Módulo II
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INDICE MODULO II UNIDAD 4: UNIDAD 5:
SISTEMAS HIDRAULICOS COMPONENTES Y CIRCUITOS BASICOS
INDICE INTRODUCCION: MODULO II OBJETIVOS: MODULO II
UNIDAD 4:
1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0
SISTEMAS HIDRAULICOS DE ACCIONAMIENTO MANUAL SISTEMAS HIDRAULICOS DE ACCIONAMIENTO POR MOTOR ELECTRICO REPRESENTACION DE UN CIRCUITO HIDRAULICO BASICO PARTES DE UN SISTEMA HIDRAULICO FLUJO ENERGETICO ¿PORQUE LOS CAMBIOS ENERGETICOS? EFICIENCIA TOTAL DE UN SISTEMA HIDRAULICO POTENCIA ELECTRICA, HIDRAULICA Y MECANICA EFICIENCIAS. DIAGRAMA DE SANKEY
UNIDAD 5: 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0
SISTEMAS HIDRAULICOS
COMPONENTES Y CIRCUITOS BASICOS
SISTEMA HIDRAULICO TIPOS, NOMENCLATURA SISTEMA HIDRAULICO ABIERTO SISTEMAS TIPICOS MANDO DE UN CILINDRO DE SIMPLE EFECTO MANDO DE UN CILINDRO DE DOBLE EFECTO SISTEMA HIDRAULICO CERRADO COLORES NORMALIZADOS DE PRESION
MODULO II
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INTRODUCCION
Este módulo II “ESTRUCTURA DE UN SISTEMA HIDRAULICO ” consta de dos unidades. En la unidad 4 “SISTEMAS HIDRAULICOS”se destaca el esquema básico de un sistema hidráulico. Se pone énfasis a los sistemas de accionamiento manual debido a la diversidad de aplicaciones en gatas y prensas en nuestro medio y es de vital importancia debido a la forma singular como se enfoca la evolución de sistemas hidráulicos de uso muy común. En esta misma unidad se hace referencia al flujo energético, ello nos permitirá conocer las razones del porque se utilizan sistemas hidráulicos, en una aplicación específica. La unidad 5 correspondiente a los “COMPONENTES Y CIRCUITOS BÁSICOS” se muestran los tipos de sistemas que existen, cuales son sus características y aplicaciones, y los sistemas básicos para el mando de un cilindro de simple y doble efecto así como para el mando de un motor de giro en un solo sentido y en doble sentido.
OBJETIVOS MODULO II
• • • • • • •
Reconiocer las partes principales de un sistema hidráulico. Mostrar esquemas comunes de sistemas oleohidráulicos de accionamiento manual. Definir las razones energéticas del uso de un sistema oleohidráulico. Mostrar circuitos básicos de mandos hidráulicos. Describir y representar un sistema hidráulico abierto. Describir y representar un sistema hidroestático. Reconocer y representar con colores normalizados las representaciones de las presiones en un plano hidráulico.
30
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UNIDAD 4 “SISTEMAS OLEOHIDRAULICOS” 1.0
SISTEMAS HIDRAULICOS DE ACCIONAMIENTO MANUAL Veamos que elementos conforman un circuito oleohidráulico elemental de accionamiento manual pero de uso muy común:
SISTEMA BÁSICO: Multiplicador de fuerzas
Hidráulico
SISTEMA CON PALANCA Multiplicador de fuerzas mecánico y multiplicador de fuerzas hidráulico
SISTEMA PARA SOSTENER LA CARGA y DESPLAZARSE EN FORMA CONTINUA
Utilizando válvulas antiretorno
SISTEMA CON VALVULA DE
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DESCARGA
Permite el retorno del pistón de simple efecto debido a su propio peso o a una fuerza externa. Este es el esquema típico de una gata hidráulica.
SISTEMA CON VALVULA LIMITADORA DE PRESION
Sistema muy frecuente, con válvula limitadora de presión o válvula de seguridad. Se utiliza en prensas, montacargas, etc.
SISTEMA CON BOMBA DE PISTON DE DOBLE EFECTO.
La carga asciende tanto con la carrera de arriba hacia abajo como con la carrera de abajo hacia arriba de la bomba manual.
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SISTEMA HIDRAULICO, tiene: Bomba de un pistón de accionamiento manual de doble efecto. Válvula de control de máxima presión ( válvula limitadora de presión ). Válvula de distribución de caudal 4/3 de accionamiento manual y centrado por muelles. Actuador: pistón de doble efecto. Veamos como debe actuar la válvula distribuidora para que salga el pistón:
Veamos como debe actuar la válvula distribuidora para que entre el pistón:
33
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2.0 2.0
Mandos Hidráulicos
SIST SISTEM EMA A HID HIDRA RAUL ULIC ICO O DE DE ACC ACCIO IONA NAMI MIEN ENTO TO POR POR MOT MOTOR OR ELEC ELECTR TRIC ICO. O. Si reemplazamos la bomba de accionamiento manual por una bomba accionada por un motor eléctrico o un motor de combustión interna ( motores gasolineros o petroleros ) para obtener un “flujo continuo” de caudal tendremos un sistema hidráulico básico como el que se muestra a continuación:
M
3.0
REPRESENTACION DE UN CIRCUITO HIDRAULICO BASICO El circuito mostrado anteriormente se representa simbólicamente (norma DIN 1219) :
34
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M
Esquematicamente :
A
B
P
4.0
T
PARTES DE UN SISTEMA HIDRAULICO Un sistema hidráulico estático tiene las siguientes partes: a) BOMBA: Unidad de Transformación de Energía mecánica en Energía de Fluido. La energía mecánica es el movimiento rotacional que entrega el motor eléctrico al eje de la bomba y la energía de fluido básicamente esta constituida por presión y caudal.
35
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b) c)
5.0
Mandos Hidráulicos
CONTROL DE PRESION Y CAUDAL: Constituido en este caso por las válvulas limitadora de presión y la válvula distribuidora 4/3. ACTUADOR: Constituido por el cilindro el cual es un conversor de energía de fluido en energía mecánica (movimiento lineal que desplaza una fuerza, es decir que realiza un trabajo).
FLUJO ENERGETICO Esta identificación de las partes permite distinguir el flujo energético en un sistema hidráulico: a ) TRANSFORMACION DE ENERGIA MECANICA EN ENERGIA HIDRAULICA. b ) CONTROL DE LA ENERGIA HIDRAULICA. c ) TRANSFORMACION DE LA ENERGIA HIDRAULICA EN ENERGIA MECANICA.
CONVERSORDE ENERGIA DE FLUIDO ENENERGIA MECANICA: ACTUADORES
CONTROL DE ENERGIA : VALVULAS DE CONTROL DE PRESION Y CAUDAL
CONVERSOR DE ENERGIA MECANICA ENENERGIA DE FLUIDO : BOMBA
M
6.0
¿PORQUE LOS CAMBIO ENERGETICOS? El cuadro mostrado nos sugiere la siguiente pregunta: ¿Porqué pasar de la energía mecánica en el eje del motor a la energía hidráulica ( de fluido ) y luego nuevamente a energía mecánica? 1. Porque Porque los motore motores: s: elé eléctr ctrico ico o de de combu combusti stión ón inte interna rna dan alta alta veloc velocida idadd angu angular lar pero pero bajo bajo torque torque:: El motor eléctrico sincrono gira a 3600, 1800, 1200 o 900 rpm El motor de combustión interna gira en ramentí a 500, 800, 1500 rpm Por lo tanto si queremos bajas velocidades y altos torques tenemos tres posibilidades: ◊ Reductor mecánico de velocidades: Cajas mecánicas con engranajes, poleas fajas, etc. ◊ Controlador eléctronico de velocidades. ◊ Sistemas hidráulicos. 2. Los motores: eléctrico o de combustión interna dan velocidad angular y se requiere velocidades lineales. 36
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Para la transformación tenemos: ◊ Rueda dentada, cremallera. ◊ Cadenas, fajas. ◊ Sistemas hidráulicos. En ambos casos los sistemas oleohidráulicos son una buena alternativa considerando las siguientes ventajas: ⇒ Flexibilidad mecánica. ⇒ Fácil control. ⇒ Alta potencia transmitida. Además debemos considerar las ventajas citadas en el capítulo anterior.
7.0
EFICIENCIA TOTAL DE UN SISTEMA OLEOHIDRAULICO También debemos considerar que estos cambio energético están asociados a una degradación de la energía debido a las pérdidas, manifestadas en forma de calor, cuya cuantificación podemos evaluarla a través de la eficiencia total de un sistema hidráulico. η SISTEMA
HIDRAULICO
[
]
= 0,30 − 0,70
El uso de bombas de caudal variable ha hecho posible una importante mejora de la eficiencia total del sistema hidráulico. Convencionalmente ha sido del 40 %, pero actualmente se cuenta con sistemas con eficiencias del 60 % al 70 %.
8.0
POTENCIA ELECTRICA, HIDRAULICA Y MECANICA Comúnmente se emplea el término de Potencia como un sinónimo de Energía ( Tome en cuenta que la Energía es el producto de la Potencia por el tiempo ) . P =
E t
Es importante conocer su evaluación en cada caso: Si el motor que acciona a la bomba es eléctrico: La potencia (eléctrica) que recibe el motor eléctrico ( monofásico ) esta dado por: P RECIBE
MOTOR ELECTRICO 1φ
=U . I .Cos θ
Si el motor eléctrico es trifásico, la potencia que recibe esta dado por: P RECIBE
MOTOR ELECTRICO 3φ
=
3.U . I .Cos
Si el motor que acciona a la bomba es de combustión interna: .
P RECIBE MOTOR COMBUSTION INTERNA = m . P oder C alorifico Luego: La potencia que recibe la bomba es la POTENCIA DEL MOTOR: ( es la potencia mecánica que entrega el motor eléctrico o de combustión interna) P RECIBE
BOMBA
= M E .ω E
La potencia que entrega la bomba al sistema hidráulico o POTENCIA DE LA BOMBA es: P ENTREGA
BOMBA
37
= p1.Q1
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A C I L U A R D I H O E L O
P RECIBE MOTOR COMBUSTION INTERNA .
P
= m . P oder C alorifico E
QUIMICA
E
MOTORCOMBUSTIONINTERNA
M
P ENTREGA BOMBA E
E
P RECIBE ELECTRICA
BOMBA
MECANICA
= M E .ω E
M
P RECIBE MOTOR ELECTRICO 1φ
= U . I .Cosθ
P
MOTORELECTRICO
P RECIBE MOTOR ELECTRICO 3 φ
=
3.U . I .Cosθ
La potencia (hidráulica) que entrega el sistema de control al actuador: P ENTREGA SISTEMA DE CONTROL
= p2 .Q2
La potencia que recibe el actuador es: P RECIBE EL ACTUADOR
= ∆ p.Q2
La potencia (mecánica) que entrega el cilindro hidráulico: P ENTREGA CILINDRO
= F .v
La potencia (mecánica) que entrega el motor hidráulico: P ENTREGA MOTOR HIDRAULICO
38
= M A .ω A
= p .Q 1
1
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E
p2
oleohidráulica
Q
P RECIBE
EL ACTUADOR
= ∆ p.Q2
E
2
Potencia que entrega cilindro
P ENTREGA CILINDRO
p3
P ENTREGA SISTEMA DE CONTROL
E
= p
p
.Q2 2
Q
2
E
mecánica
= ∆ p.Q
2
p
3
Potencia que entrega motor oleohidráulico
P ENTREGA MOTOR HIDRAULICO
9.0
= F .v
2
oleohidráulica
P RECIBE EL ACTUADOR
mecánica
= M A .ω A
EFICIENCIAS. DIAGRAMA DE SANKEY Cada parte del sistema presenta un promedio de pérdidas por lo que se puede definir las siguientes eficiencias:
η BOMBA =
η SISTEMA CONTROL HIDRAULICO =
η ACTUADOR =
P ENTREGA BOMBA P RECIBE BOMBA
P ENTREGA SISTEMA CONTROL HIDRAULIC O P ENTREGA BOMBA P ENTREGA ACTUADOR P RECIBE ACTUADOR
Los valores promedios de éstas eficiencias se encuentran en el siguiente diagrama de SANKEY:
39
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70 - 75 % POTENCIA DE SALIDA
5 - 10 % CILINDROS MOTORES
10 % VALVULAS TUBERIAS
10 % BOMBA
5 % MOTOR ELECTRICO
M POTENCIA DE ENTRADA POTENCIA ELECTRICA
Ejemplo: Para el siguiente diagrama: 1. Calcular la presión p ( bar ). 2. Calcular el torque de un motor ( N – m )
p
250 bar Q = 10 GPM
D.V . = 50 cm 3
220 V 25 HP
M
η TMOTOR = 85 % η TBOMBA
= 90 %
n = 1800 rpm
T ( N-m ) TORQUE
10 bar
Solución: 1. Cálculo de la presión: η BOMBA
P MOTOR
P BOMBA P MOTOR = 25 HP p * Q
=
P BOMBA =
600
40
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Reemplazando los datos en estas relaciones tenemos: p = 266 bar. 2. Cálculo del torque: η MOTOR
=
P MOTOR P HIDRAULICA ∆ p * Q
P HIDRAULICA =
600
P MOTOR = T * ω 2 * π * n ω
=
n=
60
Q = 757 rpm D.V .
Reemplazando los datos en estas relaciones tenemos: T = 162 N - m
UNIDAD 5 “COMPONENTES Y CIRCUITOS BASICOS” 1.0
SISTEMA HIDRAULICO Los sistemas sistemas hidráulicos reciben energía mecánica ( generalmente con alta velocidad y baja fuerza y torque ) y la convierten en energía de fluido y luego nuevamente la transforman en energía mecánica ( generalmente con baja velocidad pero alta fuerza o torque ).
2.0
TIPOS, NOMENCLATURA Los sistemas hidráulicos pueden ser hidrostáticos o hidrodinámicos. Los sistemas hidrostáticos convierten la energía mecánica que reciben principalmente a energía de presión, en cambio los sistemas hidrodinámicos convierten la energía mecánica que reciben en energía de velocidad. 41
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Mandos Hidráulicos
Se sobreentiende en esta información que ambos sistemas trabajan con aceite; de aquí que existan discrepancias con respecto a los nombres que toman comúnmente y los que realmente deben tener. Así:
1 2 3
NOMBRE COMUN (Sistemas que trabajan con aceite) HIDRAULICA, OLEOHIDRAULICA HIDROSTATICA HIDRODINAMICA
VERDADERO NOMBRE OLEOLICA OLEOESTATICA OLEODINAMICA
Dentro de los sistemas hidráulicos que trabajan a presión ( sistemas hidrostáticos ) tenemos dos tipos: Sistema Hidráulico Abierto Sistema Hidráulico Cerrado o denominado SISTEMA HIDROSTATICO* -
SISTEMAS HIDRAULICOS ( OLEOLICA )
SISTEMAS HIDRODINAMICOS ( OLEODINAMICOS )
SISTEMAS HIDROSTATICOS (OLEOESTATICOS )
SISTEMAS ABIERTOS
3.0
SISTEMAS CERRADOS denominados comúnmente SISTEMAS HIDROSTATICOS
* Es perceptible la confusión en las terminologías: Todos los sistemas oleohidráulicos que trabajan con altas presiones son basicamente sistemas hidrostáticos, dentro de los cuales hay un sistema cerrado el cual recibe comúnmente en nuestro medio el nombre de sistema hidrostático. SISTEMA HIDRAULICO ABIERTO Se denomina sistema hidráulico abierto porque el mismo aceite del sistema no recircula, sino existe un tanque del cual se toma y al cual se envía aceite. La bomba toma aceite del tanque y lo envía al actuador, luego el aceite que retorna del actuador es dirigido hacia el tanque nuevamente, de aquí que no se toma el mismo aceite de retorno del actuador hacia la entrada a la bomba, esto constituye un sistema abierto.
42
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Como se analizo anteriormente, para el caso de un cilindro hidráulico, el caudal que ingresa no es el mismo caudal que sale, por ello que no podriamos conectar la salida del actuador a la entrada de la bomba. Además el tanque hidráulico cumple entre otras funciones el almacenar aceite para refrigerarlo y decantar suciedades. La mayor parte de sistemas hidráulicos son abiertos y el sistema típico es el siguiente:
M
4.0
SISTEMAS TIPICOS Los sistemas hidráulicos abiertos en sus formas más elementales pueden ser para el mando de un c ilindro de simple efecto o motor de un solo giro y para el mando de un cilindro de doble efecto o motor de giro en doble sentido. Pero en general cualquier sistema hidráulico tiene tres partes claramente definidas: sistema de conversión de energía mecánica en energía de fluido, control de presión y caudal y actuador. En estas tres partes encontramos frecuentemente a los siguientes elementos: 1. 2. 3. 4.
5.0
Bomba Válvula limitadora de Presión Válvulas distribuidoras Válvula de retención
5. Válvula de estrangulamiento 6. Cilindro o motor hidráulico 7. Accesorios 8. Instrumentos.
MAND MA NDO O DE UN CILI CILIN NDRO DRO DE SIMPL IMPLEE EFECTO ECTO En la siguiente figura se muestra un sistema hidráulico típico para el mando de un cilindro de simple efecto * * Se denomina cilindro de simple efecto porque solo tiene una sola via para el fluido, por esta misma vía entra o sale el fluido.
43
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Mandos Hidráulicos
6 5
4
3
4
2
8
1
7
El piston del cilindro hidráulico debe salir impulsado por el aceite hidráulico a una presión formada como consecuencia del peso de la carga, en éste caso el peso del automovil, y debe retornar por el peso de la misma carga cuando el aceite no aplique presión, esto es se haya descargado a tanque. Como se observa el aceite es impulsado por la bomba a traves de la válvula distribuidora 3 por la vía P y sale por la vía A, pasa por la válvula check 4 e ingresa al cilindro por la cara del émbolo saliendo el pistón.
44
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A
P
T
El piston entra como consecuencia del peso del mismo auto o el propio peso del pistón., para esto el aceite debe descargarse libremente hacia tanque, esto se logra a través de la misma línea, esta vez por la valvula de estrangulamiento 5 para que el retorno no sea violento hacia la vía A de la valvula distribuidora 3, la cual debe ser accionada para que derive el aceite hidráulico hacia el tanque T.
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A
P
T
Cuando es necesario detener la carga en un lugar, puede apagarse la bomba, sin accionar la valvula distribuidora, con ello se consigue sostener la carga a través de la valvula check 4 que se encuentra en la salida de la bomba. Con ello se consigue dos cosas: Ahorro de energía. No es necesario consumir energía para sostener la carga. Se puede bajar la carga con la bomba apagada (debe accionarse a la válvula distribuidora 3). Solo es necesario prender la bomba cuando se desea que la carga suba.
46
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Si mantiene prendida la bomba a pesar que el pistón ha llegado al final de su carrera entonces abrirá la válvula limitadora de presión 2, ya que la bomba siempre envia caudal y éste tiene que tener un camino de retorno a tanque que en este caso es la válvula limitadora de presión.
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A
P
6. 0
T
MANDO DE UN CILINDRO DE DOBLE EFECTO Un cilindro de doble efecto es aquel que tiene dos vias para el fluido. Por una vía ingresa y por otra sale. En la figura se muestra un sistema hidráulico tipico para el mando de un cilindro de doble efecto. Se puede observar que los elementos utilizados para el mando son similares a los elementos del mando de un cilindro de simple efecto, con excepción de la válvula distribuidora.
48
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A
B
P
T
En este sistema: Para que el cilindro salga: La bomba impulsa aceite, éste pasa de la vía P hacia la vía A , continua por la valvula de estrangulamiento y se dirige hacia la cara del embolo del pistón, de acuerdo a la resistencia que encuentre se formará presión, la velocidad de salida del pistón dependera del caudal de aceite que llegue; por la cara del vastago debe salir otra cantidad de aceite la que se dirige hacia la vía B de la válvula distribuidora, al pasar libremente hacia la vía T y luego al tanque a través del filtro. Para que el cilindro entre:
49
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A
B
P
T
La bomba impulsa aceite el cual ingresa a la válvula distribuidora por la vía P y sale por la vía B, dirigiendose a la cara del vástago del cilindro. El aceite de la cara del embolo es desplazado y circula a través de la válvula check sin restricción hacia la vía A de la válvula distribuidora dirigiendose a la vía T, luego al filtro y de alli al tanque. En conclusión los sistemas hidráulicos abiertos son característicos para el mando de un cilindro de simple o doble efecto, además también son utilizados para mandar un motor hidráulico de giro de un solo sentido o motores de giro en doble sentido, las partes se mantienen y solo hay diferencia en los tipos de válvulas a utilizar.
50
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A
P
T
SISTEMA HIDRAULICO PARA EL MANDO DE UN MOTOR DE GIRO EN UN SOLO SENTIDO
A
B
P
T
SISTEMA HIDRAULICO PARA EL MANDO DE UN MOTOR DE GIRO EN LOS DOS SENTIDOS
La mayor parte de los sistemas hidráulicos son sistemas hidráulicos abiertos. Aquí se muestra una aplicación en una máquina inyectora. Una máquina inyectora es una máquina que toma pelets de material sintético y los calienta a la vez que los traslada a través de un tornillo para inyectarlo en un momento con gran fuerza sobre un molde que dara origen a un conformado en caliente de un objeto de plástico como por ejemplo un balde. 51
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7.0
Mandos Hidráulicos
SISTEMA HIDRAULICO CERRADO También denominado comúnmente SISTEMA HIDROSTATICO.
Se denomina sistema hidráulico cerrado porque el mismo aceite del sistema recircula, esto es la bomba toma aceite de retorno del motor hidráulico y lo envía nuevamente hacia el motor esto constituye un sistema cerrado. Los sistemas hidrostáticos solo es posible con actuadores que tomen y entregen el mismo caudal, como el caso de un motor hidráulico o de un cilindro de doble vastago.
52
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Mandos Hidráulicos
El tanque hidráulico existe realmente en un sistema auxiliar del sistema hidrostático, para complir con las funciones de refrigeración y limpieza, pero no tendrá las dimensiones de un sistema abierto. Lo sistemas hidrostáticos también tiene su sistema de limitación de presión así como de regulación de velocidad a través de la regulación del caudal que envía la bomba a pesar que gira a la misma velocidad, de aquí que se utilizen bombas de caudal variable. Los sistemas hidrostáticos tienen mucha aplicación en los sistemas donde se necesiten altos torque y bajas velocidades como el sistema de desplazamiento a orugas de una maquinaria pesada como se muestra en el ejemplo. (Esta retroescavadora tiene sistemas hidráulicos abiertos para el mando de los pistones mostrados y un sistema cerrado para el desplazamiento de la oruga). En particular a este tipo de circuito se analizarán en detalle en temas posteriores.
8.0
COLORES NORMALIZADOS DE PRESION Es importante que pueda reconocer las zonas de presión y descarga del aceite, ya que es una forma aficiente de ubicarse en los diagramas hidráulicos. Proceda a colorear las zonas de presión y zonas de descarga de los sistemas, para esto existe un código de colores dentro del cuál resalta basicamente los colores rojo y celeste o azul. La zona de presión esta constituida por el aceite que se encuentra en la salida de la bomba, y se dirige hacia el pistón ya sea por la cara del émbolo o la cara del vástago, ésta se pintará de color rojo. La zona de descarga estará constituida por la linea de salida del aceite del pistón hacia una vía de la válvula distribuidora, pasando a través de la válvula y saliendo por la vía T con dirección al tanque, ésta se pintará de color celeste o azul.
53
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También se colorea la salida de la válvula limitadora de presión hacia el tanque con color azul o celeste, ya que es una zona de descarga. La zona de succión de la bomba ( zona del tanque hasta la entrada de la bomba ) es una zona de baja presión e inclusive de depresión (menor presión que la presión atmosférica), pero también podemos representarla con color azul o celeste. La información hidráulica más completa es la que dispone de colores en sus diferentes zonas y se pueden utilizar la siguiente equivalencia (Joint Industry onference J.I.C. y American National Standards Institute A.N.S.I.):
PRESION DEL SISTEMA CAUDAL DE RETORNO ASPIRACION O DRENAJE CAUDAL CONTROLADO PRESION REDUCIDA, PRESION PILOTO O PRESION DE CARGA PRESION INTENSIFICADA FLUIDO INACTIVO
Rojo Azul Verde Amarillo Naranja Violeta Blanco
UNIDAD 6 BOMBA OLEOHIDRAULICA 1.0
DEFINICION
La bomba hidráulica, se encarga de trasformar la energía mecánica proveniente del equipo de accionamiento ( motor eléctrico o de combustión interna o simplemente accionamiento manual ) en energía de fluido (presión y caudal).
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Realmente la bomba impulsa al fluido, esto es: “La bomba da caudal” La presión se forma como consecuencia de la resistencia que encuentra el fluido. 2.0
SIMBOLOGIA Simbolos normalizados:
Bomba oleohidráulica de caudal constante y giro en un solo sentido
3.0
Bomba oleohidráulica de caudal constante y giro en los dos sentidos
Bomba oleohidráulica de caudal variable y giro en los dos sentidos
PARÁMETROS DE LA BOMBA Las bombas tienen los siguientes parámetros : 3.1
VOLUMEN DESPLAZADO O DE EXPULSION El volumen desplazado o desplazamiento volumétrico D..V . es un parámetro que indica el tamaño de la bomba. Se refiere al volumen del fluido que es transportado por la bomba en cada giro o carrera. Este caudal es el resultado de la multiplicación del desplazamiento volumétrico por el número de revoluciones por minuto n . Q
DV
=
n
×
D.V.= π*a*(dk – a)*b a = Dist. entre los centros de los engranajes
D.V.= A*h
dk = Diámetro extremo del engranaje b = Ancho del engranaje 3.2
REVOLUCIONES Las revoluciones de una bomba son un criterio importante de selección, ya que el caudal de transporte es determinado por las revoluciones n . Muchas bombas no deben rebasar ciertos márgenes de revoluciones. El régimen de revoluciones más frecuente para la maquinaria estacionaria es de n = 1800 min -1, ya que suelen ser accionadas por motores síncronos de corriente trifásica que dependen de la frecuencia de la red eléctrica . El régimen de revoluciones para la maquinaria móvil en cambio es amplio (800 a 5000 rpm) tomándose como referencia de diseño a 1500 rpm.
3.3
EFICIENCIA
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Las bombas transforman la energía mecánica en energía hidráulica y en ese proceso se producen pérdidas expresadas mediante el grado de eficiencia. EFICIENCIA VOLUMETRICA ( η V ) Es la relación entre el caudal real que impulsa la bomba con respecto al caudal teórico determinado por el producto del Desplazamiento Volumétrico por el número de RPM. η v
=
Q REAL QTEORICO
=
Q REAL
D.V . * n
EFICIENCIA HIDRAULICA - MECANICA ( η hm ) Es la relación entre la energía mecánica que entrega la bomba con respecto a la energía mecánica que recibe. η hm
=
EFICIENCIA TOTAL (
E MECANICA
QUE RECIBE
E MECANICA
- PERDIDAS
QUE RECIBE
) T
El grado de eficiencia total de una bomba se calcula multiplicando la eficiencia volumétrico ( eficiencia hidráulico-mecánico ( η hm ).
η V
) y la
η η T = V * η hm
En general la eficiencia total de una bomba oleohidráulica oscila entre el 80% al 90%.
4.0
CURVA CARACTERÍSTICA DE LA BOMBA. La curva característica de una bomba es la representación del caudal que envía la bomba en función de la presión. La curva característica de una bomba de caudal constante presenta una pequeña caída de caudal en función del aumento de la presión. Esta caída de caudal es normal si se encuentra entre el 7 y 13 % del caudal nominal y se debe a fugas internas necesarias para la lubricación de la bomba. La curva característica de una bomba ofrece las siguientes informaciones: Si p = 0, la bomba rinde un caudal Q Si p > 0, Q se mantiene practicamente constante Para una alta presión Q comienza a disminuir. La presión máxima que alcanze la bomba estará dada por la presión que se logra cuando el caudal ha caído como máximo en 13 % (en la practica puede evaluarse en 10 %) • La curva también es un equivalente del grado de eficiencia volumétrica de la bomba . • • • •
La figura muestra las curvas características de una bomba nueva y de una bomba desgastada (averiada). También se muestra una zona a la cuál no debería trabajar la bomba bajo ningún motivo ya que la deterioraría gravemente:
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Mandos Hidráulicos CAUDALPRACTICAMENTECONSTANTE ADIVERSAS PRESIONESENTRE
Q
0 Y p
max
BOMBANUEVA
NOMINAL
9 a 13 % d e Q DESTRUCCIONDE LA BOMBA
BOMBA AVERIADA
L A D U A C
p ( bar ) Pmax
4.1
INSTALACION PARA OBTENER LA CURVA DE LA BOMBA
Un banco de pruebas nos permite obtener la curva Q vs. p de una bomba constituyéndose en la mejor manera de determinar cual es el caudal nominal y la presión máxima de la bomba, comprobándose el estado real de la bomba.
VALVULA LIMITADORA DE PRESION (VALVULA DE CARGA)
Q
p
MANOMETRO
CAUDALIMETRO
M BOMBA OLEOHIDRAULICA
Ejemplo: En la curva Q vs. p mostrada: Para una bomba en buen estado: QNOMINAL = 10 l / min pMAX = 230 bar El caudal de aceite de fuga es del 10% a 230 bar. En consecuencia.
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Q(p = 0) =
10,00 l / min.
Q(p = 230)
=
η v
=
9 l / min 10 l / min
9 l / min.
= 0,9
Para una bomba averiada: El caudal de aceite de fuga es de 20 % a 230 bar. En consecuencia: Q(p = 0) =
10,00 l / min.
Q(p = 230)
=
η v
=
8 l / min 10 l / min
8,0 l / min.
= 0,8
Ello significa que la curva característica de la bomba permite obtener informaciones sobre el grado de eficiencia volumétrica de una bomba.
5.0
CLASIFICACIÓN
Las bombas hidráulicas pueden clasificarse en dos tipos básicos aplicando el criterio de volumen de expulsión. • •
Bombas de DESPLAZAMIENTO VOLUMETRICO CONSTANTE. Bombas de DESPLAZAMIENTO VOLUMETRICO REGULABLE O AJUSTABLE.
BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO VOLUMETRICO CONSTANTE
BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO VOLUMETRICO VARIABLE
BOMBA DE ENGRANAJES EXTERIORES
BOMBA DE ALETAS
BOMBA DE ENGRANAJES EXTERIORES
BOMBA DE PISTONES AXIALES DE PLATO INCLINADO
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BOMBA DE PISTONES AXIALES DE EJE INCLINADO
BOMBA DE TORNILLOS
BOMBA DE PISTONES RADIALES
GEROTOR
CARACTERISTICAS TIPO DE BOMBA
RPM ( 1 / min )
D.V. ( cm 3 )
P ( bar )
η
500 - 3500
1,2 – 250
40 – 160
80 – 90
1
3
160 - 250
0,8 – 0,9
2
1
25 - 160
70 – 85
3
1
160 - 250
82% - 92%
3
3
100 - 160
80 - 90
1
1
BOMBA DE ENGRANAJES EXTERIORES BOMBA DE ENGRANAJES INTERIORES BOMBA DE TORNILLOS
%
PRECIO RUIDO
CTE. 500 - 3500
4 - 250 CTE.
500 - 4000
4 - 650 CTE.
BOMBA DE PISTONES AXIALES 750 - 3000 DE PLATO INCLINADO BOMBA DE ALETAS
900 - 3000
25 – 800 VARIABLE 5 – 160 VARIABLE
BOMBA DE PISTONES AXIALES DE EJE INCLINADO BOMBA DE PISTONES RADIALES
750 - 3000
25 – 800 VARIABLE
160 - 250
82 - 92
3
3
900 -3000
5 - 160
160 - 320
90
2
2
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Existen otras características que son importantes para elegir una bomba: • Caudal • Presión • Nivel de ruidos • Precio Analizaremos brevemente las características de la bomba de engranajes, por ser la bomba que con mayor frecuencia encontramos en la industria.
6.0
BOMBA DE ENGRANAJES Las bombas de engranajes son bombas de desplazamiento volumétrico constante, las mas comunes, y la que soporta un mayor nivel de suciedad en el fluido.
ZONA DE ALTA PRESION LINEA CAMARAS ENTRE DIENTE Y DIENTE
ZONA DE BAJA PRESION LINEA (CAMARA DE ASPIRACION)
P
T
Una de las ruedas dentadas está conectada al motor; la otra gira por efecto del engranaje con la primera rueda. En la cámara de aspiración se produce una depresión a raíz del aumento del volumen causado en el momento que el diente sale de su asiento en el engranaje. El aceite fluya de la línea T a las cámaras entre diente y diente del engranaje y es transportado a lo largo de la pared exterior hacia la zona de alta presión. Aquí el aceite es expulsado hacia la línea P cuando los dientes se unen. La cámara de aspiración es más grande que la cámara de expulsión.
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PRESION DE SUCCION O DE VACIO O DEPRESION DE 0,3 EQUIVALENTE A UNA PRESION ABSOLUTA DE 0,7
ZONA DE PRESION (MENOR AREA)
PRESION ATMOSFERICA ABSOLUTA
PRESION DE 0,5 ZONA DE SUCCION (MAYOR AREA)
PRESION = 1 ATMOSFERA ABSOLUTA
El objetivo es tener mayor presión y evitar que se forme excesivo vacío que produzcan la vaporización del aceite y que en la línea de alta presión estos vapores implosionen produciendo un arrancamiento metálico de la bomba , ruido y vibración, fenómeno conocido como CAVITACION de la bomba. En la cámara de alta presión tendremos la acción de fuerzas distribuidas actuando sobre los engranajes produciendo mayores esfuerzos en la línea de acción de estas fuerzas con respecto a los ejes y también al contacto entre dientes y l a zona de succión donde se puede visualizar el efecto de desgaste por presión.
DIAGRAMA DE PRESIONES ZONA DONDE SE VISUALIZARIA LOS EFECTOS DE LA CAVITACION
ZONA DE ALTA PRESION DESCARGA DE ACEITE COMPRENDIDO ENTRE DIENTE Y DIENTE
LUBRICACION DE CHUMACERAS
CAMARA DE ASPIRACION
ZONA DE DESGASTE POR EFECTO DE LA ZONA DE PRESION
En los espacios comprendidos entre un diente de un engranaje y la parte interna del diente del otro engranaje el aceite es encerrado y sería comprimido produciendo ruido y vibración, por lo que este aceite debe ser transportado hacia la cámara de aspiración o la de descarga a través de unas ranuras en las gemelas de las partes laterales.
61
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En el caso de las chumaceras se lubrica con el aceite de la zona de baja presión y en el caso de las partes laterales de los engranajes se lubrica con el aceite de la zona de alta presión Como se ha indicado anteriormente las bombas tienen pérdidas volumétricas las cuales se dan por el caudal que retorna de la cámara de presión a la cámara de succión a través de los dientes en contacto de los dos engranajes y también por la luz de los costados de los engranajes con las gemelas. En los rangos apropiados estas pérdidas lubrican las partes en contacto como las chumaceras y las gemelas, pero excesivamente producen una alta ineficiencia de la bomba por las pérdidas volumétricas que ocasionan..
ENGRANAJE MOTRIZ GEMELAS
LUZ ENTRE GEMELA Y CULATA
CULATA
ENGRANAJE CONDUCIDO
LUZ ENTRE ENGRANAJES Y GEMELAS (MINIMO PARA MANTENER ESTANQUEIDAD)
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UNIDAD 7 VALVULA LIMITADORA DE PRESION
7.0
DEFINICION: La válvula limitadora de presión limita la presión máxima del sistema. También se le denomina válvula de seguridad o válvula RELIEF.
7.1
REPRESENTACION: En general una válvula limitadora de presión se representa: TAMBIEN ES VALIDO NORMALIZADO ISO 1219
m
7.2
CLASIFICACION: -
-
POR EL CAUDAL Válvula limitadora de presión de mando directo Válvula limitadora de presión de mando indirecto o pilotada POR SU CONSTRUCCION Válvula limitadora de presión de cierre. Válvula limitadora de presión de corredera.
63
ANTIGUO
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LIMITADORA DE PRESION DE MANDO DIRECTO
LIMITADORA DE PRESION DE MANDO INDIRECTO
VALVULA LIMITADORA DE PRESION DE MANDO DIRECTO DE CIERRE
VALVULA LIMITADORA DE PRESION DE MANDO DIRECTO DE CORREDERA
7.3
REGULACION La válvula limitadora de presión se regula con la ayuda de un manómetro cerrando todos los caminos alternativos al paso del aceite, haciendo que todo el aceite que envía la bomba pase por la limitadora de presión.
m
7.4
FUNCIONAMIENTO Estas válvulas permiten ajustar y limitar la presión en un sistema hidráulico. La presión p aplicada sobre el área A genera una fuerza F = p.A la que se compara en el elemento de cierre con la fuerza del muelle. 64
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F
MUELLE
p F = p.A
A Si la fuerza generada por la presión es menor que la fuerza del muelle la v álvula permanecerá cerrada Cuando la fuerza de la presión de entrada se iguala a la fuerza del muelle, la válvula empieza a abrir. A esta presión de la denomina: PRESION DE APERTURA DE LA VALVULA, entonces una parte del caudal fluye hacia el depósito. Si la presión de entrada continúa subiendo, aumenta la fuerza de la presión y también aumenta la fuerza de del muelle hasta que la totalidad del caudal de transporte fluya hacia el depósito. La presión en la que sucede esto se la denomina: PRESION DE REGULACION DE LA VALVULA. Siendo este el valor máximo de presión del sistema.
p
F F = F
MUELLE
Presión de regulación
Presión de apertura
F
MUELLE
d
Deformación del muelle
La presión de apertura de las válvulas limitadoras de presión de mando directo comúnmente está 10 a 20 bares por debajo de la presión de regulación. La presión de apertura de las válvulas limitadoras de presión de mando indirecto está 5 a 10 bares por debajo de la presión de regulación. Las resistencias en las salidas (tubería hacia el depósito, filtro de retroceso etc.) actúan sobre la superficie A 2. La fuerza generada por estas resistencias tiene que sumarse a la fuerza del muelle. A la presión originada por todas estas resistencias se denomina CONTRAPRESION. Para evitar oscilaciones causadas por la presión, las válvulas limitadoras de presión f recuentemente están provistas de émbolos de amortiguación y de elementos de estrangulamiento. El sistema de amortiguación tiene los siguientes resultados: • Apertura rápida de la válvula
65
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Cierre lento de la válvula Esta amortiguación tiene la finalidad de evitar daños causados por golpes de presión (puesto que la válvula trabaja de modo suave). •
7.5
CONTRAPRESION Es presión que se opone a la acción de un elemento. Por efecto de la resistencia que presentan todos los elementos que se ubican en la línea de retorno a tanque se genera una contrapresión. Esta contrapresión puede ser positiva o negativa para el sistema, pero consume energía que se manifiesta en caída de presión y disipación de calor. Este concepto nos explica que sucede en el elemento de cierre de una válvula limitadora de presión de mando directo cuando se genera contrapresión como consecuencia que el fluido tiene que vencer la resistencia que le ofrecen las tuberias, las mangueras, los codos, los filtros, además de los dobleces, las formas, el tipo de flujo, etc.
PRESION 20 BARES TUBERIA
MANGUERA CODO FILTRO
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Aplicación: ¿Determinar la presión máxima que puede alcanzar el sistema si solo el muelle de la válvula limitadora de presión ofrece una resistencia de 100 kg que aplicada sobre un área de 1 cm 2 equivale a 100 bares?
CONTRAPRESION 20 BARES
FUERZA 100 kg
AREA A = 1 cm
p
2
p.A = 100 + 20.A
La presión p en la entrada a la válvula limitadora de presión debera de ser tal que venza a la fuerza del muelle y la fuerza que hace la contrapresión de 20 bares sobre el área de 1 cm 2 del elemento de cierre, esto es 20 kg luego: p = 120 bares ¡Observe que se ha establecido la suma de fuerzas, más no de presiones!
7.6
DESCARGA DE PRESION La descarga de presión es la liberación del fluido a tanque a través de un camino alternativo al que le presenta la válvula limitadora de presión, utilizando el criterio que el fluido se dirige por el camino que menor resistencia le ofrece. En el siguiente diagrama se muestra como se puede descargar de presión a un sistema accionando a una válvula de apertura – cierre sin tener que aperturar la válvula limitadora de presión la cual está regulada a 100 bar.
67
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p=0
100 bar VALVULA ABIERTA ( APERTURA -CIERRE )
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UNIDAD 8
VALVULAS DISTRIBUIDORAS 1.0
DEFINICION Las válvulas distribuidoras o válvulas de vías son elementos que abren o cierran o modifican los pasos del flujo en sistemas hidráulicos. Estas válvulas permiten controlar la dirección del movimiento y la parada de los elementos de trabajo.
2.0
REPRESENTACION
Los símbolos de las válvulas de vías están definidos por la norma DIN ISO 1219. Se aplican los siguientes criterios: • Las válvulas distribuidoras se simbolizan mediante varios cuadrados concatenados. • Cada cuadrado representa una posición. • Los conductos se representan por líneas y las direcciones por flechas. • La válvula se dibuja en su posición normal, es decir aquella que asume la válvula cuando se retira la fuerza de accionamiento. • Los cierres se representan mediante barras transversales en el interior de los cuadrados. • Los símbolos indican solo las funciones de las válvulas sin tener en cuenta los diferentes tipos de construcción El criterio que se toma es el de un caño de agua:
ACCIONAMIENTO 2 VIAS
POSICIONES
EL CAÑO TIENE DOS POSICIONES EL CAÑO ESTA NORMALMENTE CERRADO Y CUANDO SE ACCIONA SE ABRE. POSICION: CERRADA
• •
POSICION: ABIERTA LA VALVULA TIENE DOS POSICIONES: ESTA NORMALMENTE CERRADA Y CUANDO SE ACCIONA SE ABRE
Los empalmes o vías solo se relacionan con la posición cero. Los empalmes o vías se representan mediante una letra mayúscula: - P Entrada, presión
69
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-
T, R, Y A, B
Tanque Conductos hacia los actuadores pistones o cilindros.
VALVULA EN SU POSICION NORMAL
REPRESENTACION: VALVULA DISTRIBUIDORA DE 2 VIAS ( P, A ) DE 2 POSICIONES ( 2 CAJONES) NORMALMENTE CERRADA RETORNO POR MUELLE
A
P
VALVULA ACCIONADA ES LA VALVULA ANTERIOR QUE SE MUESTRA ACCIONADA ASI NO SE REPRESENTA Y ESTA POSICION SOLO SE LA DEBE IMAGINAR OBSERVE EL ACCIONAMIENTO Y EL MUELLE PARA EL RETORNO
A
P
3.0
CLASIFICACIÓN Las válvulas distribuidoras se clasifican: 3.1 De acuerdo a su construcción : Válvulas de cierre Válvulas de corredera -
A
A
P
P
A
P
VALVULA DISTRIBUIDORA DE 2 VIAS Y 2 POSICIONES 2 / 2, DE CIERRE
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A
P
POSICION NORMAL
POSICION ACCIONADA
A
A
P
P
VALVULA 2 / 2 DE CORREDERA
CARACTERISTICAS: Las válvulas de cierre tienen las siguientes características Son estancas. Es decir no permiten fugas de fluido. Necesitan gran fuerza de accionamiento ya que se debe vencer a la fuerza de la presión para aperturar la válvula. Son limitadas en el número de sus vías. Las válvulas de corredera tienen las siguientes características: Tienen un spool o carrete o corredera el que se desplazará dentro del cuerpo de la válvula. Necesitan poca fuerza de accionamiento Es posible tener muchas vías. No son estancas, esto es existe una pequeña fuga de fluido a través de la corredera, la que depende de la viscosidad del aceite utilizado y de la temperatura.
3.2
De acuerdo al número de vías y posiciones Las mas comunes utilizadas en oleohidráulica son: Válvula 2/2 ( 2 vías, 2 posiciones ) Válvula 3/2 ( 3 vías, 2 posiciones ) Válvula 4/2 ( 4 vías, 2 posiciones ) Válvula 4/3 ( 4 vías, 3 posiciones ) Válvula 6/3 ( 6 vías, 3 posiciones ) Válvula 6/4 ( 6 vías, 4 posiciones ) Además en neumática es muy utilizada: Válvula 5/2 ( 5 vías, 2 posiciones )
Tome en cuenta que la representación es una sola y que en ella se muestran las posiciones que tiene la válvula indicándose en cada posición las comunicaciones y direcciones entre las vías. Las flechas indican la dirección que debe seguir el fluido; son solo convencionales debido a que realmente hay comunicación física entre las vías y no unidireccionalidad. Esto es importante cuando se tiene que comprobar el buen funcionamiento de la válvula al aplicar por ejemplo aire comprimido a las vías de la válvula y comprobar justamente esta comunicación entre las vías. 71
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A continuación se muestran algunas válvulas distribuidoras de corredera en su posición normal y en su posición accionada. A
P
T
POSICION ACCIONADA
POSICION NORMAL A
P
T
VALVULA DISTRIBUIDORA 3 / 2 NORMALMENTE ABIERTA, ACCIONAMIENTO MANUAL, RETORNO POR MUELLE
POSICION ACCIONADA
A
P
A
B
P
T
POSICION NORMAL
B
A
T
P
VALVULA DISTRIBUIDORA 4 / 2 ACCIONAMIENTO MANUAL, RETORNO POR MUELLE
72
B
T
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Las válvulas 4 / 2 y 4 / 3 son las mas usadas en sistemas hidráulicos y pueden tener diversas posiciones centrales. Observe que es posible intercambiar la corredera dando origen a una válvula distribuidora con otra posición central La siguiente figura muestra como se obtienen las diversas posiciones en una válvula 4 / 3 de Centro Bloqueado.
A
B
o
T
P T
P
A
B
POSICION
o A
B
b
P T
P
A
T
B
POSICION b
A
B
a
P T
A
P
B
POSICION a
A
a
B
o
P
b
T
REPRESENTACION
73
T
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Se muestra la misma carcasa o cuerpo de válvula anterior con otra corredera obteniéndose una válvula distribuidora 4 / 3 con posición central de unión entre P, A, y B.
A
B
o P
T
P
A
T
B
o
POSICION
A
B
b
T
A
P
P
T
A
B
B
POSICION b
a
P T
A
P
B
POSICION a
A
a
B
o
P
b
T
REPRESENTACION
74
T
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Mandos Hidráulicos
Las posibilidades de la posición central de las v álvulas 4 / 3 se muestran a continuación: A
a
o
T
A
B
P
T
A
B
P
T
A
B
o
b
P
T
A
B
b
o P
T
b
P
a
b
o
B
o
a
b
o
a
a
b
P
a
3.3
A
B
T
DE ACUERDO AL DESPLAZAMIENTO DE LA CORREDERA Las válvulas distribuidoras pueden ser: Válvulas de desplazamiento continuo Estas válvulas tienen dos posiciones finales y una cantidad ilimitada de posiciones intermedias con diferentes características de estrangulamiento. Por ejemplo válvulas accionadas por yoesting; válvulas proporcionales; servovalvulas. Válvulas de desplazamiento digital Estas válvulas siempre tienen una cantidad definida de posiciones (2, 3, 4…). Por ejemplo: Válvulas con enclavamiento; electroválvulas.
CLASIFICACION DE ACUERDO AL DESPLAZAMIENTO
DIGITAL
CONTINUO
PROPORCIONAL
A
a
b
o P
T
a
b
o P
T
75
B
A
B
A
B
SERVOVALVULA
a
b
o P
T
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4.0
Mandos Hidráulicos
ACCIONAMIENTOS Las válvulas distribuidoras pueden tener los diversos tipos de accionamientos: ACCIONAMIENTO MANUAL GENERAL POR PULSADOR
POR PEDAL POR PALANCA
ACCIONAMIENTO MECANICO POR PALPADOR
POR RESORTE
POR RODILLO
CON ENCLAVAMIENTO
ACCIONAMIENTO ELECTRICO POR SOLENOIDE ( UN SOLO BOBINADO )
SOLENOIDE DE ACCIONAMIENTO VARIABLE ( PROPORCIONAL )
POR SOLENOIDE ( DOS BOBINADOS )
ACCIONAMIENTO POR SEÑAL POR SEÑAL DE PRESION, ACCIONAMIENTO DIRECTO
POR SEÑAL DE PRESION ACCIONAMIENTO INDIRECTO
POR SEÑAL NEUMATICA ACCIONAMIENTO DIRECTO
POR DEPRESION O SUCCION HIDRAULICA
76
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Mandos Hidráulicos POR CANAL INTERIOR DE CONTROL. EL CANAL SE ENCUENTRA DENTRO DE LA UNIDAD.
Otras representaciones: ACTUADOR COMPUESTO Y SOLO SI EXISTEN DOS SEÑALES (NEUMATICAS) PROVOCAN LA OPERACIÓN DEL DISPOSITIVO
ACTUADOR COMPUESTO O SI EXISTEN CUALQUIERA DE DOS SEÑALES (MANUAL O ELECTRICA) PROVOCAN LA OPERACIÓN DEL DISPOSITIVO ACTUADOR COMPUESTO O SI EXISTEN CUALQUIERA DE DOS SEÑALES (MANUAL O, ELECTRICA QUE ACCIONA A UN PILOTO HIDRAULICO) PROVOCAN LA OPERACIÓN DEL DISPOSITIVO
ACTUADOR COMPUESTO SI EXISTEN CUALQUIERA DE DOS SEÑALES (MANUAL O, ELECTRICA QUE ACCIONAN A UN PILOTO HIDRAULICO) PROVOCAN LA OPERACIÓN DEL DISPOSITIVO ACCIONAMIENTO POR TARJETA ELECTRONICA CONTIENE LA REPRESENTACION PARA LA ENTRADA DE ENERGIA, ENTRADA DEL MANDO Y SALIDA RESULTANTE
La representación de estos accionamientos están de acuerdo a la norma ISO 1219 y ANSI Y32.10
5.0
MANDO DE UN CILINDRO DE SIMPLE EFECTO Para mandar a un cilindro de simple efecto ( cilindro que solo tiene una entrada ) como el que se muestra en la figura debe entrar aceite al cilindro para que el pistón salga y para que vuelva a entrar debe descargarse el aceite a tanque. Esto se puede lograr primigeniamente con la acción de una válvula distribuidora 2 / 2 de tal manera que cuando se prenda la bomba el pistón salga y cuando se accione a la válvula la bomba y el pistón descarguen a través de la válvula. Este circuito tiene la limitación que el cilindro acciona inmediatamente cuando se prende la bomba. Realmente el circuito de mando para un cilindro de simple efecto considera trabajar con una válvula distribuidora 3/2.
77
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En la figura el cilindro de simple efecto es mandado por una válvula distribuidora 3/2 normalmente cerrada. Cuando se energiza la bomba, se forma la máxima presión del sistema que regula la válvula limitadora de presión. Cuando se energiza la válvula distribuidora 3/2 el aceite que envía la bomba se dirige hacia el pistón del cilindro el cual sale, la presión que se forma en ese momento dependerá de la carga del pistón. Cuando llegue al final de la carrera se formará la máxima presión. Cuando se desee que ingrese el pistón se desenergiza la válvula distribuidora con lo que el aceite que se encuentra el la cara del embolo del pistón se descarga a tanque, retornando el pistón por efecto de la carga que sostiene.
6.0
MANDO DE UN CILINDRO DE DOBLE EFECTO. Para mandar a un cilindro de doble efecto es necesario como mínimo una válvula 4/2 como se muestra en la figura.
Con una válvula 4/2 el pistón solo sale o entra, mas no puede detenerse a mitad de carrera
78
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Con una válvula 4/3, se puede manda al pistón a salir, entrar y de acuerdo a la posición central que tenga la válvula distribuidora: Posicionar al pistón en cualquier lugar de su carrera y descargar la línea de presión ( centro en descarga de P a T; A y B bloqueados ). ( 1 ) Posicionar al pistón en cualquier lugar de su carrera con bloqueo de todas las líneas ( P, T, A y B bloqueados ). ( 2 ) Posicionar al pistón en cualquier lugar de su carrera y poder accionar externamente al pistón ( centro unido A, B, y T ). ( 3 ) Posicionar al pistón en cualquier lugar de su carrera y poder accionar externamente al pistón y descargar la línea de presión ( centro unido P, A, B, y T ). ( 4 ) Entre otras posibilidades de mando cuya característica principal radica en la posición de la válvula distribuidora, ya que comúnmente las posiciones extremas de las válvulas serán las mismas.
79
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80
UCSM- PPIMEM
7.0
Mandos Hidráulicos
TAMAÑOS NOMINALES DE LAS VALVULAS DISTRIBUIDORAS De acuerdo al país de origen (americanas europeas) las válvulas distribuidoras se dimensionan en su tamaño (sinónimo de caudal) AMERICANAS: Por el diámetro de su conexión: 3 / 8 ”, 1 / 4 “, 1 / 2 “, 3 / 8 “, 1 ”, 1 - 1 / 4 “, EUROPEAS: Por el diámetro ( expresado en mm ) de la vía: Se antepone el término TN (Tamaño Nominal) TN 4, TN 6, TN 8, TN 10, TN 16, TN 25, TN 36, TN El término TN es en castellano, en inglés es ND y en el alemán NG.
8.0
VALVULAS DISTRIBUIDORAS PILOTADAS HIDRAULICAMENTE Cuando las válvulas distribuidoras son de gran tamaño (Tamaños nominales TN 10 ) necesitan de mayor fuerza para su accionamiento. Deberían tener elementos de accionamiento muy grandes, lo que realmente no sucede. Para ello los accionamientos tradicionales accionan a una válvula intermedia como por ejemplo una válvula distribuidora la que a su vez acciona hidráulicamente a la válvula principal. A esta válvula intermedia se la conoce con el nombre de válvula piloto. La válvula distribuidora pilotada hidráulicamente tiene realmente dos válvulas: -
La válvula piloto que en este caso se encuentra en la parte superior y que es una válvula distribuidora accionada electricamente con centro unido en A, B, Y para que pueda centrarse apropiadamente la corredera de la válvula principal lo que se logra al descargar completamente las líneas A y B.
-
La válvula principal que se encuentra en la parte inferior y que es una válvula distribuidora accionada hidráulicamente y que en este caso tiene centro bloqueado.
81
UCSM- PPIMEM
Mandos Hidráulicos
-
A
a
b
o X
Y
A
B
a
b
o P
9.0
B
T
Observe en la válvula piloto que las líneas X e Y son los equivalentes a P y T . Un tapón separa a estas líneas de P y T para que exista la posibilidad de alimentación con otra presión al sistema piloto y su línea de descarga Y sea independiente y quedescargue directamente a tanque. Comúnmente la línea X se alimenta de la misma presión del sistema en cambio la línea Y no va unida a la línea T descargando independientemente a tanque para evitar la contrapresión que pueda tener esta línea . VALVULAS DISTRIBUIDORAS UTILIZADAS EN MAQUINARIA PESADA
82
UCSM- PPIMEM
Mandos Hidráulicos
En maquinaria pesada comúnmente se utilizan válvulas de 6 vías con las siguientes características: La línea p siempre está descargada a través a la línea T. Comúnmente en la línea p hay válvulas check que protegen a la bomba de las sobrepresiones. Las posiciones centrales y laterales son las mismas que las válvulas 4/3. A
B
T
o
a
P
P
b
T
VALVULA DISTRIBUIDORA 6/3 CON CENTRO BLOQUEADO
Estas válvulas van ensambladas en paquetes, donde se incluye inclusive la válvula limitadora de presión. Estos paquetes pueden a su vez tener dos tipos de ensambles: Serie Paralelo -
83
UCSM- PPIMEM
Mandos Hidráulicos
A
A
B a
o
B
b
a
o
b
3
a
o
3
A
A
B
B
b
a
o
2
b
2
A
a
o
A
b
a
b
1
1
T
o
T
P
VALVULAS DISTRIBUIDORAS PARA MAQUINARIA MOVIL CONECTADAS EN PARALELO
84
P
VALVULAS DISTRIBUIDORAS PARA MAQUINARIA MOVIL CONECTADAS EN SERIE
UCSM- PPIMEM
Mandos Hidráulicos
En un paquete de válvulas distribuidoras conectadas en paralelo los actuadores conectados a la líneas A y B se pueden accionar independientemente y su movimiento solo depanderá de la carga que soporten. Así si se accionan dos válvulas a la vez se moverá el actuador que menos carga tenga. En un paquete de válvulas distribuidoras conectadas en serie predominará la acción de la válvulas mas cercanas a la bomba, así si se accionan las válvulas 1 y 2, la acción de la válvula 1 eliminará la acción de la válvula 2, es decir la válvula 2 no tendrá alimentación de la línea P.
10.
APLICACIONES DE VALVULAS DISTRIBUIDORAS EN SISTEMAS HIDRAULICOS 10.1
10.2
SISTEMAS HIDRAULICOS PARA EL LEVANTE Y POSICIONAMIENTO DE LLANTAS DE MAQUINARIA MOVIL
SISTEMAS HIDRAULICOS PARA EL ACCIONAMIENTO DE UN BRAZO MECANICO 85
UCSM- PPIMEM
10.3
Mandos Hidráulicos
SISTEMA HIDRAULICO PARA EL CONTROL DE UN CILINDRO DE DOBLE EFECTO CON DOS VELOCIDADES DE SALIDAS Y UNA DE RETORNO.
86
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Mandos Hidráulicos
87
UCSM- PPIMEM
Mandos Hidráulicos
UNIDAD 9 VALVULA DE RETENCION 1.0
DEFINICION La válvula de retención o válvula check permite el paso del fluido en un sentido y no en sentido contrario.
2.0
REPRESENTACION
3.0
ESTRUCTURAS La válvula de retención tiene un elemento de cierre, un asiento, un muelle o resorte y una carcasa.
A continuación se muestra diversas estructuras de válvulas check. Dibujar la representación correspondiente.
4.0
APLICACIONES Las válvulas check pueden tener muchas aplicaciones entre las cuales se cuentan:
88
UCSM- PPIMEM
Mandos Hidráulicos
89
UCSM- PPIMEM 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
5.0
Mandos Hidráulicos
Protección de la bomba. Trabajan con válvulas de estrangulamiento para controlar el caudal. Direcciona el fluido. Válvula de vacío o anticavitación. Camino alternativo al paso del aceite cuando se satura el colador de entrada de la bomba. Camino alternativo al paso del aceite cuando se satura el filtro de aceite del sistema hidráulico. Puente de válvula check para permitir el paso de aceite en un solo sentido a través de una válvula reguladora de caudal. Permiten entrar o restringir el paso de aceite de uno a otro sistema.
CLASIFICACION Las válvulas de retención pueden ser: Simples Pilotadas hidráulicamente A su vez las válvulas de retención pilotadas hidráulicamente pueden ser: Pilotadas hidráulicamente para el bloqueo. Pilotadas hidráulicamente para el desbloqueo. Representación:
VALVULA CHECK PILOTADA HIDRAULICAMENTE PARA EL
VALVULA CHECK PILOTADA HIDRAULICAMENTE PARA EL
UCSM- PPIMEM 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
5.0
Mandos Hidráulicos
Protección de la bomba. Trabajan con válvulas de estrangulamiento para controlar el caudal. Direcciona el fluido. Válvula de vacío o anticavitación. Camino alternativo al paso del aceite cuando se satura el colador de entrada de la bomba. Camino alternativo al paso del aceite cuando se satura el filtro de aceite del sistema hidráulico. Puente de válvula check para permitir el paso de aceite en un solo sentido a través de una válvula reguladora de caudal. Permiten entrar o restringir el paso de aceite de uno a otro sistema.
CLASIFICACION Las válvulas de retención pueden ser: Simples Pilotadas hidráulicamente A su vez las válvulas de retención pilotadas hidráulicamente pueden ser: Pilotadas hidráulicamente para el bloqueo. Pilotadas hidráulicamente para el desbloqueo. Representación:
VALVULA CHECK PILOTADA HIDRAULICAMENTE PARA EL DESBLOQUEO
6.0
VALVULA CHECK PILOTADA HIDRAULICAMENTE PARA EL BLOQUEO
VALVULA CHECK PILOTADA HIDRAULICAMENTE PARA EL DESBLOQUEO 6.1
REPRESENTACION
X A
B
SIN X CON X
6.2
FUNCIONAMIENTO La válvula check pilotada hidráulicamente para el desbloqueo permite el paso de aceite en sentido normal y no pasa el aceite en sentido contrario, pero cuando se aplica presión piloto a través de la línea X entonces el aceite puede fluir en sentido c ontrario.
6.3
APLICACIONES El objeto de una válvula check desbloqueable hidráulicamente es retener un pistón sometido a presión. En una primera instancia se puede suponer que una carga puede sostenerse con una válvula distribuidora con centro bloqueado. 90
UCSM- PPIMEM
Mandos Hidráulicos
Lo cierto es que las válvulas distribuidoras son en su mayoría de corredera y no permiten una estanqueidad total debido a las fugas naturales que se dan precisamente a través del juego entre la corredera y el cuerpo de la válvula. Esto se evidenciaría en que el pistón sujeto a una carga por un periodo de tiempo comenzará a deslizarse, a pesar que la válvula distribuidora está bloqueada; visto desde la perspectiva solo de un plano hidráulico aparentemente esto no sucedería.
M
2
B
A
a P
m
M
b
o T
1
Por lo tanto es importante utilizar una válvula de cierre que nos permita sostener indefinidamente una carga, sin que esta se deslice. De aquí que se utilice una válvula check desbloqueable hidraulicamente. -
En la siguiente figura se muestra a un pistón sosteniendo la carga m. El efecto de la presión M 2 generada por esta carga se circunscribe al pistón (cara del vástago) y la válvula check pilotada hidraulicamente para el desbloqueo. Si se acciona la válvula distribuidora a la posición b el vástago sube ya que el fluido pasa normalmente por la válvula check M 1 = M 2. Si se acciona solo la válvula distribuidora 4 / 3 a la posición a el pistón no baja. La carga baja cuando se acciona a la vez la válvula 3 / 2 a la posición a y la válvula 4 / 3 a la posición a. Si accionamos la válvula 4 / 3 a la posición central la carga es sostenida por la válvula check indefinidamente.
91
UCSM- PPIMEM
Mandos Hidráulicos
M
2
B
A a
m
M
b
o
P
A
T
a
b
P
T
1
En el diagrama se observa: ♦ La posición central de la válvula distribuidora esta unida la línea A, B a T lo que garantiza que la válvula check cierre rápidamente. ♦ Se ha colocado una válvula de estrangulamiento en la línea A para crear presión en la línea P de la cual se alimenta la válvula distribuidora 3 / 2 que pilotea la línea X. Cuando baja la carga lo hace por efecto de su propio peso y no por presión, de aquí que sin el estrangulamiento no se forme presión necesaria. Si no se coloca ésta válvula es posible que la carga baje de una manera muy irregular. 6.4
ESTRUCTURA La siguiente figura nos muestra la estructura de una válvula check pilotada hidraulicamente para el desbloqueo. Esta compuesta de: 1. Cono de cierre pequeño 2. Elemento de cierre principal 3. Muelle o resorte. 4. Embolo buzo. 5. Vastago buzo. 6. Carcasa. 7. Línea de pilotaje. 8. Línea de drenaje. 9. Línea A. 10. Línea B.
92
UCSM- PPIMEM
Mandos Hidráulicos ELEMENTO DE CIERRE PRINCIPAL CONO PEQUEÑO
VASTAGO
MUELLE
A
X
B
PILOTAJE
Y DRENAJE EMBOLO
X B
A Y
El aceite puede pasar de A hacia B, solo tiene que vencer la fuerza del muelle. Para ello necesita una presión de 0,3 bar a 3 bar comúnmente . A estos muelles se les denomina de posicionamiento y presentan poca resistencia de tal manera que se pueden comprimir manualmente. El aceite no puede pasar de B hacia A, debido a que la presión del mismo actuando sobre la cara del muelle genera una fuerza que asienta aún más el elemento de cierre. Cuando se aplica una presión por la línea X ( incluso menor que la existente en la línea B ) esta se aplica sobre la cara del embolo el que tiene una relación entre 3 a 5 veces mayor el área del pequeño cono que hace cierre. Por lo tanto la fuerza existente en este embolo es de 3 a 5 veces la fueza con que se está cerrando el pequeño cono de cierre y lo levanta fácilmente.
F
X
=p
x
x
5A
A F=p
B
X
5A
A
Si se necesita presión en la línea piloto para que abra la válvula check y permita que la carga baje entonces es posible tomar automáticamente presión de la línea B sin tener necesidad de utilizar la válvula distribuidora 3 / 2 tal como se muestra en la figura.
93
UCSM- PPIMEM
7.0
Mandos Hidráulicos
DOBLE CHECK PILOTADA HIDRAULICAMENTE PARA EL DESBLOQUEO
7.1 REPRESENTACION
DETALLADA
7.2
SIMPLIFICADA
FUNCIONAMIENTO La válvula doble check trabaja como la unión de dos válvulas check pilotadas hidraulicamente para el desbloqueo, de tal manera que una válvula check permite el paso normal de aceite y la
94
UCSM- PPIMEM
Mandos Hidráulicos
otra válvula se descarga por la acción de la presión en la primera línea que pilotea a la segunda válvula para que abra en sentido contrario.
C
D
A
B
A
a
B
b
o P
T
Por ejemplo: El aceite pasa de A hacia C porque esta primera check abre normalmente en este sentido, y el aceite puede pasar de D hacia B ya que esta check si bien no conduce en este sentido es aperturada hidraulicamente por la presión en la línea AC ya que ésta actúa sobre la cara opuesta del embolo buzo.
D
C
A
7.3
B
APLICACIONES
95
UCSM- PPIMEM
Mandos Hidráulicos
La válvula doble check con pilotaje hidráulico para el desbloqueo permite “ amarrar “ hidráulicamente a un actuador de tal manera que ninguna fuerza externa pueda mover al actuador. En el siguiente circuito se puede observar que los cilindros A, B, y C no podrán moverse por efecto de ninguna fuerza externa por mas grande que ésta sea, a menos que se accione una combinación de valvulas distribuidoras.
A
A
a
B
b
o P
T
1
B
A
a
B
b
o P
T
2 3 C a
b
Por ejemplo si acciona la válvula 1 a la posición b, la válvula 2 no se acciona y la válvula 3 a la posición b entonces el cilindro no se mueve, el cilindro B sale y el cilindro C entra. Las condiciones de accionamiento así como de respuesta de los pistones se muestra en el siguiente cuadro. También se muestra el recorrido del aceite.
VALVULA 1
VALVULA 2
VALVULA 3
CILINDRO A
CILINDRO B
CILINDRO C
a
b
a
a
SALE
SALE
SALE
X
X
b
b
X
96
ENTRA
X
ENTRA
ENTR A
X
UCSM- PPIMEM
Mandos Hidráulicos
A
A
a
B
b
o P
T
1
B
A
a
B
b
o P
T
2 3 C a
b
En el sistema mostrado: Para que un cilindro se mueva le debe llegar aceite, así como debe salir aceite del cilindro. Cuando se abre una válvula check, la presión existente en esta línea pilotea la apertura de la otra válvula check. El aceite se va por el camino que menos resistencia le ofrece. -
97
UCSM- PPIMEM
Mandos Hidráulicos
UNIDAD 10 VALVULA DE CONTROL Y REGULACION DE CAUDAL 2.0
DEFINICION La válvulas de control de caudal permiten disminuir y mantener controlada la velocidad de los actuadores. Para ello actúan estrangulando el paso del aceite o derivando una parte de él.
2.0
OBJETIVO Las bombas de desplazamiento fijo producen un caudal fijo o constante a una determinada RPM, por lo tanto se sigue las siguientes estrategias para disminuir el caudal que llega al actuador: a) Se provoca un aumento de presión en las válvulas de tal manera que la presión se acerque a la zona de apertura de la válvula limitadora de presión y al abrir parcialmente permita la derivación del aceite, con lo que el aceite que llega al actuador puede ser regulado en función al estrangulamiento en las válvulas de control o regulación de caudal. b) Se divide el aceite a través de sistemas compensadores que aperturan o cierran en función de la carga que permiten la derivación del aceite a través de la propia válvula sin necesidad de elevar la presión a un valor cercano al máximo establecido por la válvula limitadora de presión. Este es un método mucho mas económico que el primero ya que permite ahorrar energía en el proceso de disminución de velocidad.
Otra de las formas de reducir velocidad en un actuador es actuando directamente sobre el desplazamiento volumétrico de la bomba, es decir que las bombas de caudal variable ajustan su desplazamiento volumétrico en función a un parámetro por ejemplo a la carga de tal manera que no se tiene necesidad de utilizar una válvula de control o regulación de caudal. Este método es actualmente usado con mayor frecuencia ya que se obiene el mayor ahorro de energía, pero las inversiones iniciales en la adquisición de una bomba de caudal variable son mayores.
3.0
CLASIFICACION Las válvulas de control y regulación de caudal se clasifican en: Válvulas de estrangulamiento Válvulas reguladoras de caudal. Válvulas repartidoras o divisoras de caudal.
-
4.0
REPRESENTACION
VALVULA DE ESTRANGULAMIENTO
5.0
VALVULA REGULADORA DE CAUDAL
VALVULA DIVISORA DE CAUDAL
VALVULA DE ESTRANGULAMIENTO La válvula de estrangulamiento genera una caída de presión cuando circula un caudal. El caudal de aceite que ingresa al estrangulamiento es el mismo que sale, ya que el fluido es incompresible.
98
UCSM- PPIMEM
Mandos Hidráulicos
p
∆ p=
p
Q
1-
p
2
p
1
2
Q
e
s
Qe=Qs Esta caída de presión es la que define el caudal que circula por el estrangulamiento hacia un actuador, ya que al producir una gran caída de presión ocasiona la apertura de la válvula limitadora de presión dividiendo el caudal.
F = 1 ton
p
bar
150
2
A = 100 cm
135 130
p
2
10
150 bar
Q ( l/min )
2
= F / A = 10 bar
∆ p=p
8 l/min
1
-p
2
∆ p = 135 - 10 = 125 bar
2 l/min p
1
= 135 bar
Q = 10 l/min
En el ejemplo: La bomba envía 10 litros por minuto en forma constante y acciona a una carga de 1 tonelada, la carga solo genera 10 bar, en cambio el estrangulamiento 125 bares, esto hace que la válvula limitadora de presión se abra ligeramente descargando 2 litros por minuto haciendo que solo llegue 8 litros por minuto a la carga lo que reduce la velocidad del pistón en su salida.
99
UCSM- PPIMEM
Mandos Hidráulicos
F = 10 ton
p
bar
150
2
A = 100 cm
140 130
p
5
10 150 bar
2
= F / A = 100 bar
∆ p=p
Q ( l/min )
5 l/min
1
-p
2
∆ p = 140 - 100 = 40 bar
5 l/min p
1
= 140 bar
Q = 10 l/min
Al existir mayor carga en el actuador el caudal se deriva aún más por la válvula limitadora de presión y por lo tanto circula poco caudal hacia el estrangulamiento y por lo tanto a la carga, lo que se manifiesta en una velocidad más lenta del pistón, este poco caudal provoca poca caída de presión en la válvula de estrangulamiento. En el ejemplo la carga ha subido de 1 tonelada a 10 toneladas y de aquí a 14 toneladas. La caída de presión ha crecido en la carga provocando aún más la división de caudal por la limitadora de presión. Al disminuir el caudal por la válvula de estrangulamiento disminuye la caída de presión. De aquí que la válvula de estrangulamiento a una regulación fija no puede mantener un caudal constante aunque su configuración física permanezca igual ( la válvula de estrangulamiento no se ha alterado, sigue manteniendo su área, su forma geométrica, el rozamiento etc. ) ante la presencia de cargas variables en el actuador; solo controla la velocidad del actuador si este mantiene una carga constante.
100
UCSM- PPIMEM
Mandos Hidráulicos
F = 14 ton
p
bar
150 148
2
A = 100 cm
130
p
9
150 bar
10
Q ( l/min )
1 l/min
2
= F / A = 140 bar
∆
p=p
∆
p = 148 - 140 = 8 bar
1
-p
9 l/min p
1
= 148 bar
Q = 10 l/min
La caída de presión en un estrangulamiento depende de: • La velocidad del fluido • De la sección del estrangulamiento • La longitud del estrangulamiento • La viscosidad del fluido • El tipo de flujo. • La forma geométrica del estrangulamiento. Se asume que algunos de estos parámetros permanecen fijos y otros son variables. Por ejemplo se asume que el caudal determina fundamentalmente la caída de presión. La ecuación es: p =k Q ∆
2
Donde la constante k es la que engloba los otros parámetros mencionados.
101
2
UCSM- PPIMEM
Mandos Hidráulicos
∆p 125
40
Q
8 5
1
8
Si consideramos: Que la presión en la salida del estrangulamiento esta determinada por la carga y que el limite de la presión antes del estrangulamiento esta definido por la presión de la válvula limitadora de presión, entonces tenemos definido el valor ∆ p ( que logicamente dependerá del valor de la carga: a menor carga mayor ∆ p y a mayor carga menor ∆ p ) por lo tanto: En un estrangulamiento el caudal estará en función de la caída de presión p. Obtenemos así el siguiente gráfico:
Q 8
5
∆
1 8
40
p
125
El modelo matemático que describe esta relación es: Q
K =
p
*
* La constante K difiere de la constante de la relación anterior Pero no siempre los parámetros indicados: área, viscosidad, tipo de flujo, permanecen constantes, por ejemplo la temperatura afecta la viscosidad, En un estrangulamiento se genera calor por efecto de pérdidas, este calor incrementa la temperatura del fluido afectando a la viscosidad del fluido alterando por lo tanto la respuesta del estrangulamiento en el control del caudal por efecto de la temperatura. Por ello hay estrangulamientos que dependen de la viscosidad del fluido y otros que no tienen dependencia de la viscosidad y por lo tanto de la temperatura del fluido. De aquí definimos los siguientes tipos de estrangulamientos:
102
UCSM- PPIMEM
5.1
Mandos Hidráulicos
TIPOS Hay dos tipos de válvulas de estrangulamiento: 5.1.1 VÁLVULAS DE ESTRANGULAMIENTO PROPIAMENTE DICHAS El control de caudal depende de la caída de presión y además de la temperatura del aceite. 5.1.2 VÁLVULAS DE DIAFRAGMA. El control de caudal depende de la caída de presión pero no de la temperatura.
DIAFRAGMA
ESTRANGULAMIENTO Además las válvulas de estrangulamiento pueden ser fijas o variables.
ESTRANGULAMIENTO FIJO
6.0
ESTRANGULAMIENTO VARIABLE
VALVULA DE ESTRANGULAMIENTO CON ANTIRRETORNO 6.1
REPRESENTACION
6.2
FUNCIONAMIENTO
Es usual que se encuentren trabajando juntas en paralelo la válvula de estrangulamiento con la válvula de antirretorno o check. De esta manera el estrangulamiento controla el caudal en un sentido y en sentido contrario el fluido pasa libremente a través de la válvula check.
Comúnmente vienen empaquetadas la válvula de estrangulamiento con la válvula check, esto significa que se presentan formando una sola unidad.
103
UCSM- PPIMEM
Mandos Hidráulicos ENTRARAPIDO
SALE LENTO
O D A L U G N A R T S E
E E R R B B I I L L O O S S A A P P
VALVULA DECONTROL DE LA VELOCIDAD DE ENTRADA DEL PISTON
VALVULADECONTROL DE LA VELOCIDAD DE SALIDA DEL PISTON
M
También es común encontrar paquetes de válvulas que contienen dos estrangulamientos y dos válvulas check de tal manera que se puede controlar la velocidad de los actuadores en un sentido y en sentido contrario independientemente. 6.3
ESTRUCTURA DE VALVULAS DE ESTRANGULAMIENTO CON VALVULAS CHECK En la siguiente figura se muestra la estructura de una válvula de estrangulamiento en paralelo con una válvula check ensambladas en una sola unidad. El paso de fluido de A hacia B es a través de la válvula de estrangulamiento ya que la válvula de retención en este sentido se bloquea, el control se realiza por la muesca triangular la que puede pasar del estado totalmente abierta a totalmente cerrada. Debemos recordar que la válvula de estrangulamiento controla velocidad por división de caudal a través de la valvula limitadora de presión en la zona ubicada entre su presión de apertura y su presión de regulación por lo tanto para alcanzar esta presión es necesario que la válvula de estrangulamiente este casi cerrada por lo que no nos debe sorprender obtener la disminución de velocidad de los actuadores en las últimos hilos del tornillo del estrangulamiento.
104
UCSM- PPIMEM
Mandos Hidráulicos
ALGUNAS FORMAS DE ESTRANGULAMIENTOS TORNILLO MUESCA ESTRANGULAMIENTO
B
A VALVULA DE RETENCION
VALVULAS ENSAMBLADAS EN UNA SOLA UNIDAD
A
B
A
A
B
B
Si el fluido circula de B hacia A entonces la válvula de retención permite el paso de B hacia A ofreciendole solo la resistencia que le ofrece el muelle de posicionamiento de la válvula de retención.
7.0
FORMAS DE CONTROLAR LA VELOCIDAD El uso de válvulas de estrangulamiento en paralelo con válvulas check permite controlar la velocidad de los actuadores en un sentido , pero su ubicación en el sistema define las siguientes formas de controlar la velocidad de los actuadores denominadas comúnmente regulaciones: 7.1 REGULACION PRIMARIA El fluido se estrangula o regula antes de ingresar al actuador. Podemos tener regulación primaria para la salida de un pistón o para la entrada del pistón. 7.2 REGULACION SECUNDARIA El fluido se estrangula o regula al salir del actuador. Podemos tener regulación secundaria para la salida de un pistón o para la entrada del pistón.
REGULACION PRIMARIA
REGULACION SECUNDARIA
105
UCSM- PPIMEM
Mandos Hidráulicos ENTRA LENTO
SALE LENTO
E S T R A N G U L A D O
O D A L U G N A R T S E
SALELENTO
ENTRA LENTO
E S T R A N G U L A D O
O D A L U G N A R T S E
7.3
REGULACION POR DERIVACION
El fluido es derivado hacia tanque a través de la válvula de estrangulamiento . Puede realizarse un control de caudal para la entrada y salida del pistón como el que muestra la figura o solamente para un de sus movimientos (eentrada o salida), por ello la división de caudal se daría en las líneas A o B con respecto a tanque, pero no es muy común esta practica.
106
UCSM- PPIMEM
Mandos Hidráulicos
A
B
P
T
M
8.0
VALVULAS REGULADORAS DE CAUDAL
107
UCSM- PPIMEM
Mandos Hidráulicos
UNIDAD 11 ACTUADORES 3.0
DEFINICION Un actuador transforma la energía hidráulica en energía mecánica
2.0
TIPOS Los actuadores hidráulicos son de dos tipos: Pistones hidráulicos. Motores hidráulicos. 2.1
CILINDROS HIDRAULICOS Transforman la energía hidráulica en energía mecánica en términos de fuerza F y desplazamiento d. E HIDRAULICA
E
⇒ F *
d
p2
HIDRAULICA
E
MECANICA F
Q
d
2
E p3
2.2
ENTREGA
=
CILINDRO
F
.
d
MOTORES HIDRAULICOS Transforman la energía hidráulica en energía mecánica en términos de torque M y desplazamiento angular θ. E HIDRAULICA ⇒ M *
p2
E
Q
2
E
HIDRAULICA
MECANICA
Torque=M Desplazamientoangular =
p3 E ENTREGA
5.0
MOTOR
HIDRAULICO
= M .θ
CILINDROS HIDRAULICOS Los cilindros hidráulicos son motores lineales. Con ellos se producen movimientos lineales en máquinas e instalaciones donde se puede alcanzar grandes fuerzas y desplazamiento longitudinales. La velocidad del émbolo del cilindro puede ser controlada variando la cantidad de flujo de alimentación. La fuerza máxima que debe alcanzar un cilindro puede ser elegida o fijada a través de una válvula de presión .
108
UCSM- PPIMEM
Mandos Hidráulicos
Las formas constructivas exteriores de los cilindros dependen del uso que se les quiere dar. Para poder seleccionar o diseñar un cilindro los diseñadores necesitan una serie de datos. Sin embargo se debe en lo posible recurrir a medidas normalizadas tanto para poder encontrar los elementos constructivos como para asegurar su reemplazo. Los cilindros estandarizados respetan determinadas medidas constructivas y de conexión. Los diámetros de cilindros normalizados son: 25, 32, 40, 50, 63, 80, 100, 125, 160, 200 mm Estas medidas se refieren al diámetro interior del cilindro. En las recomendaciones también se fijan el diámetro del vástago y otras medidas importantes. Las presiones de diseño que se recomiendan son: 40, 50, 63, 125, 160, 250, 400 bar La carrera de los cilindros es relativamente libre de elegir.
6.0
FUERZAS QUE ACTUAN SOBRE UN CILINDRO Las fuerzas que actúan sobre un cilindro hidráulico pueden ser positivas o negativas 6.1 Fuerzas Positivas. Aparecen cuando el actuador transfiere energía a un cuerpo. Por ello este tipo de fuerzas analizado desde el pistón, ofrece resistencia al movimiento del pistón. 6.2 Fuerzas negativas. Son aquellas que aparecen cuando externamente se transfiere energía al pistón. Por ello el pistón no puede controlar a éste tipo de fuerza.
F-
F+ p
BAJO
Q
p
ALTO
Q
7.0
CLASIFICACION DE LOS CILINDROS Los cilindros hidráulicos se clasifican: Por su forma constructiva Por su forma de fijación.
109
UCSM- PPIMEM
Mandos Hidráulicos
CILINDROS HIDRAULICOS
FORMAS CONSTRUCTIVAS
FIJACION SIMPLE EFECTO
DOBLE EFECTO
RETORNOPOR FUERZA EXTERNA
CON UN SOLOVASTAGO
CILINDROS TELESCOPICOS
SIMPLE EFECTO
CONAMORTIGUAMIENTOEN AMBOS EXTREMOS
RETORNOPOR MUELLE
DOBLE EFECTO
CONCINTADOMAGNETICO
PATITAS
BRIDA
CON ARTICULACION
DUPLEX
EN TANDEM CONVASTAGOS EN AMBOS EXTREMOS
APOYOS GIRATORIOS
CILINDRO OSCILANTEO MOTOR OSCILANTE
FORMAS CONSTRUCTIVAS
7.1
CLASIFICACION POR SU FORMA CONSTRUCTIVA Cilindros de Simple Efecto Cilindros de Doble Efecto Cilindros telescópicos
7.2
CLASIFICACION POR SU FORMA DE FIJACION
110
UCSM- PPIMEM -
8.0
Mandos Hidráulicos Cilindros de montaje fijo con patas tangenciales. Cilindros embridados. Cilindros articulados en la base. Cilindros articulados en la cabeza.
CILINDROS DE SIMPLE EFECTO Los cilindros hidráulicos de simple efecto son actuadores que pueden aplicar fuerza en un solo sentido, para ello tienen una sola vía de ingreso o salida de fluido. Al accionarse el pistón en un solo sentido, la fuerza de retorno del pistón en sentido contrario se logra a través de: a) Una fuerza externa. b) El propio peso del pistón. c) Un muelle o resorte. La cámara que no esta sometida a presión debe estar en contacto con la presión atmosférica por ejemplo a través de un pequeño orificio donde entre y salga el aire cuando el pistón entra en movimiento.
7.0
CILINDROS DE DOBLE EFECTO Un cilindro hidráulico de doble efecto consiste en un cuerpo cilíndrico y un émbolo móvil al cual se ha fijado un vástago. Las tapas o culatas se fijan al cilindro por medio de uniones roscadas, bridas, t irantes o uniones soldadas. El desplazamiento del émbolo hacia adentro y hacia fuera es guiado y sostenido por un casquillo removible llamado prensaestopas del vástago o cojinete del vástago. La tapa del cilindro a través de la cual sale el vástago se denomina “cabeza del vástago”. Al extremo opuesto se le denomina simplemente “tapa”. Los puertos o vías de entrada y salida se localizan en la cabeza y la tapa.
7.1
8.0
PARTES DE UN CILINDRO DE DOBLE EFECTO 1. Cilindro 2. Embolo 3. Vástago 4. Tapa 5. Tapa del vástago o cabeza del vástago 6. Sellos de labios o cejas 7. Anillos del émbolo 8. Sellos en el prensaestopas del vástago 9. Via o puerto 10. Retén respador.
FORMAS DE ENSAMBLAJE DE CILINDROS HIDRAULICOS Existen diferentes formas de ensamblar un cilindro hidráulico en un sistema y lograra multiplicar las fuerzas. La norma para un correcto montaje es que el cilindro hidráulico puede aplicar grandes fuerzas axiales pero no debe aplicar ni soportar fuerzas radiales.
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Mandos Hidráulicos FUERZA RADIAL
NO PELIGRO: FLEXION FUERZA AXIAL
SI
p
9.0
PELIGRO: PANDEO
SELLOS Para un buen funcionamiento de un cilindro, debe existir un sello alrededor del émbolo y en el presaestopas del vástago. Existe gran variedad de sellos para el presaestopas del vástago. Algunos cilindros están equipados con un sello principal en forma de V o acopado, fabricado de cuero, poliuretano, nitrilo o vitón, y un sello limpiador que evita la introducción de materiales extraños en el interior del cilindro. Es de suma importancia comprobar que el material con el cual se ha fabricado el sello sea compatible con el fluido y las condiciones de funcionamiento del sistema. Ejemplo: Un tipo de sello para el prensaestopas del vástago consiste en un sello principal con bordes interiores dentados, que rozan continuamente el vástago y lo limpian removiendo el fluido.Un segundo sello frota el vástago para eliminar los restos que pudiese haber dejado el sello principal y elimina las partículas extrañas cuando retrocede el vástago al interior del cilindro.
112
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10.0
Mandos Hidráulicos
SISTEMAS DE AMORTIGUACION Los sistemas de amortiguamiento se emplean para proteger el cilindro de los efectos de los golpes del embolo sobre las tapas de los cilindros en los pistones.
M
2
B
A
a P
m
M
b
o T
1
En la figura mostrada: Al cambiar de la posición o a la posición a de la válvula distribuidora el vástago del cilindro bajará por efecto de la acción de la gravedad y no por efecto de la presión del sistema, perdiendo el control del pistón ( Acción de fuerza negativa ). Al chocar el pistón sobre la tapa del cilindro puede provocar daños como fisuras o deformaciones, por ello es necesario mantener controlada a esta fuerza. Las formas de controlar estos efectos son:
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a) Colocar válvulas de estrangulamiento. b) Colocar válvulas de contrapresión. c) Utilizar cilindros con sistemas de amortiguamiento. En todos los casos el objetivo es crear un colchón de presión para el amortiguamiento de la carga. Este colchón de presión puede estar presente siempre como en el caso de la ubicación de una válvula de estrangulamiento o una válvula de contrapresión o puede aparecer solo en el tramo final del recorrido del embolo en el cilindro como en el caso de un sistema de amortiguamiento ensamblado en el propio cilindro hidráulico. Los sistemas hidráulicos con válvulas de estrangulamiento o válvulas de contrapresión generan siempre una caída de presión que provoca pérdida de energía y que reducen innecesariamente la velocidad a lo largo del recorrido del pistón. En realidad en buen accionamiento tiene alta velocidad en su recorrido, pero baja velocidad en los tramos finales antes de llegar al final de su recorrido y tocar las tapas.
VALVULADE CONTRAPRESION 25 BAR
a P
m
M
a
b
o
m
1
M
b
o P
T
T 100BAR
1
SISTEMA DE FRENADO CON VALVULA DE CONTRAPRESION
SISTEMA DE FRENADO CON VALVULA DE ESTRANGULAMIENTO
10.1
B
A
B
A
SISTEMAS DE AMORTIGUACION EN EL PROPIO CILINDRO Los sistemas de amortiguamiento en el propio cilindro utilizan estrangulamientos en la carrera de frenado. Cuando el pistón esta llegando al final de la carrera el tramo comprendido en la cabeza del embolo buzo se aloja exactamente en la ranura. El aceite atrapado en la cámara comprendida entre la sección anular del embolo y la tapa es el que disminuye la velocidad del cilindro amortiguando la fuerza antes de llegar a tocar la tapa del cilindro, este aceite se evacua a través del estrangulamiento ubicado en el juego del embolo buzo con la ranura donde ingresa.
FLUIDOESTRANGULADO
COLCHON DE ACEITE PARA EL FRENADO
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Mandos Hidráulicos
En algunos casos es posible regular estos estrangulamientos. Por ejemplo en el caso que se muestra en la siguiente figura: El estrangulamiento 1, es el que define el grado de amortiguación y puede regularse . Para el movimiento en sentido contrario del pistón el aceite tendría menor área en contacto y por lo tanto sería menor la fuerza disponible, por lo tanto se hace necesario que el aceite pueda entrar en contacto desde el momento inicial con toda el área del embolo, para eso se inserta la válvula check que permite que el fluido entre en contacto también con el área anular del embolo y pueda salir libremente y disponerse de la máxima fuerza.
ESTRANGULAMIENTO 1 SECCION ANULAR DEL EMBOLO EMBOLO
VASTAGO CABEZA DE EMBOLO BUZO TAPA
RANURA PARA CABEZA DE EMBOLO BUZO
VIA DE INGRESO O SALIDA AL CILINDRO VALVULA CHECK
FLUIDO ESTRANGULADO
TRAMO FINAL: FRENADO
VALVULA CHECK BLOQUEADA
LIBRE RETORNO
VALVULACHECKABIERTA
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También es posible practicar una muesca en la cabeza del embolo buzo de tal manera que actúa como un estrangulamiento 2 de tal manera que el pistón vaya frenándose paulatinamente a medida que llega al final de su carrera, es un estrangulamiento variable en función de la carrera final del pistón. FLUIDO ESTRANGULADO TRAMO DE FRENADO
COLCHON DE ACEITE VALVULA CHECK BLOQUEADA
11.0 MOTORES HIDRAULICOS Los motores hidráulicos transforman la energía hidráulica en energía mecánica y generan movimiento rotativos. Si el movimiento rotativo se limita a determinados ángulos, se t rata de motores de desplazamiento angular. Desde el punto de vista energético los motores actúan contrariamente a las bombas hidráulicas, pero su geometría es muy similar.
BOMBA
12.0
MOTOR
REPRESENTACION Los motores hidráulicos pueden ser a) De giro en un solo sentido b) De giro en ambos sentidos
116
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Mandos Hidráulicos
MOTOR HIDRAULICO DE GIRO EN AMBOS SENTIDOS
MOTOR HIDRAULICO DE GIRO EN UN SOLO SENTIDO
13.0
PARAMETROS Los motores hidráulicos tienen los mismos parámetros característicos que las bombas, aunque en el caso de los motores hidráulicos no se aplica el término de volumen desplazado, utilizándose más bien el de VOLUMEN ABSORBIDO (V.A.) La velocidad n ( RPM ) de giro de un motor hidráulico esta dado por el caudal Q entre el volumen absorbido VA : Q
n=
VA
El producto del volumen absorbido VA multiplicado por la diferencia de presión momento o torque M: M =
∆ p
en el motor hidráulico define el
VA * ∆p 2 * π
La potencia mecánica P MOTOR entregada por un motor hidráulico esta dada por el producto del momento o torque M . por la velocidad angular P MOTOR
Donde la velocidad angular
=
M * ω
ω : ω
= 2 * π * n
La potencia hidráulica P HIDRAULICA recibida por el motor hidráulico esta dada por:
P HIDRAULICA
=
∆p * Q
600
Los motores hidráulicos tienen básicamente las mismas características constructivas que las bombas hidráulicas, de aquí que tengan una eficiencia η MOTOR aproximada entre 80 a 90 %. η MOTOR
=
P MOTOR P HIDRAULICA
Ejemplo Un motor hidráulico de 50 cm 3 recibe 60 l/min de caudal y los manómetros de entrada y salida del motor indican 280 bar y 20 bar respectivamente, si la eficiencia del motor es de 85 % determinar: 1. El número de revoluciones por minuto n ( RPM ). 2. El Torque M (N-m). 3. La potencia ( HP ) del motor hidráulico. Solución:
117
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Mandos Hidráulicos
n=
1.
n
=
60 l / min 1000cm3 ( ) = 1200 RPM 50 cm3 l
M =
2.
M
Q V . A.
=
V . A.*∆p 2 * π
kgf 50cm3 ( 280 − 20)bar (1,02 cm2 )
2 * π
m 9,8 N , N − m = 2068 100cm 1kgf
bar
El motor entregaría este torque, si tuviese una eficiencia del 100 %, pero como tiene una eficiencia del 85 %:
M
= 85% * 206,8
− m = 175,8
P HIDRAULICA
3.
P HIDRAULICA
14.0
N
=
N
−m
∆p * Q
600
( 280 − 20)bar * 60 l / min
=
600
HP = = 26 kW 0,746kW 34,85HP
P MOTOR
η MOTOR
=
p MOTOR
= η MOTOR * P HIDRAULICA
P MOTOR
= 0,85 * 34,85HP = 29,62HP
P HIDRAULICA
TIPOS Constructivamente los motores no presentan mayores diferencias con las bombas, por lo tanto existen la misma diversidad y clasificación de motores hidráulicos como las mencionadas para bombas hidráulicas. Aquí se desarrollara el principio de funcionamiento de los motores hidráulicos de mayor uso como son los motores de pistones axiales.
15.0
MOTOR DE PISTONES AXIALES DE PLATO INCLINADO El motor de pistones axiales tiene un conjunto de pistones que se desplazan con un tambor giratorio sobre un plato inclinado.
118
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15.1
PARTES DE UN MOTOR DE PISTONES AXIALES
1. 2. 3. 4. 5. 6. 15.2
Mandos Hidráulicos
CARCASA PISTON PLATO INCLINADO ROTULA PLACA CONTIENE LUMBRERAS DE ENTRADA Y SALIDA SEGURO DE ROTULAS
FUNCIONAMIENTO El funcionamiento de un motor de pistones axiales se explica de la siguiente manera: En el diagrama de cuerpo libre del pistón la fuerza F se descompone en dos fuerzas: Fuerza tangencial en un plano horizontal F T Fuerza normal, perpendicular al plano inclinado F N. La fuerza FT actúa a una distancia r del eje central y provoca con ello un par motor M = F T * r Al descender el pistón, el tambor le conduce forzosamente sobre el plano inclinado en una órbita circular. Por ello , el tambor recibe un movimiento rotativo.
119
