INTRODUCCION A LA HIDRAULICA
El estudio de la Hidráulica tiene que ver con el uso y características de líquidos. Desde
siempre, el hombre ha usado líquidos para suavizar su carga.
El hombre de las cavernas flotaba rió abajo, sobre leños amarrados con lianas enroscadas.
Las anotaciones mas antiguas de la historia muestran que artículos tales como bombas y
ruedas de agua eran conocidas en tiempos muy remotos. Sin embargo, hasta el Siglo 17 fue que la rama de la hidráulica, con la que vamos a trabajar, se empezó a usar. El principio descubierto por el científico francés Pascal.
Dice:
La presión aplicada a un fluido confinado se transmite sin disminución de fuerza en todas direcciones y actúa con fuerza igual y en áreas iguales en los ángulos correspondientes.
Este precepto explica porque una botella de vidrio completamente llena se romperá si se
trata de tapar.
El liquido es prácticamente incomprensible y transmite la fuerza aplicada al tapón a través del recipiente. (Fig. 1-1) EI resultado es una fuerza excesivamente mayor sobre un área superior a la del tapón. Aunque es posible que se rompa la base de la botella al empujar el tapón con fuerza moderada.
Probablemente la simplicidad de la ley de Pascal evito que los hombres desarrollaran su tremendo potencial por mas de dos siglos. En los primeros pasos de la Revolución
Industrial, un mecánico ingles llamado Joseph Bramah utilizo el descubrimiento de Pascal al hacer una prensa hidráulica.
Bramah decidió que si una fuerza pequeña en un área pequeña podría crear una fuerza,
proporcionalmente podría crear una fuerza mas grande en un área mayor, el único limite a una fuerza que una maquina puede ejercer lo determina el área a la cual la presión es aplicada.
La figura 1-2 muestra como Bramah aplico el principio de Pascal en una prensa hidráulica.
La fuerza aplicada es la misma del tapón de botella en la figura 1-1 y el pistón tiene la
misma área de una pulgada cuadrada. Sin embargo un pistón mas grande tiene un área
cuadrada de 10 pulgadas cuadradas. El pistón mas grande es empujado con 10 libras de fuerza por pulgada cuadrada por eso puede soportar un peso o fuerza total de 100 libras. Se puede ver fácilmente que las fuerzas o pesos que lo balancearan con este aparato son proporcionales a las áreas del pistón. De modo que, si el empuje del área del pistón es de 200 pulgadas cuadradas, la fuerza producida será de 2000 libras (Considerando el mismo empuje de 10 libras en cada pulgada cuadrada). Esta es la base del funcionamiento de la palanca hidráulica así como la de la prensa hidráulica.
Es interesante notar la similitud entre una prensa sencilla y una palanca mecánica (vista B). Así como Pascal dijo anteriormente -aquí tenemos otra vez, fuerza es a fuerza, como distancia es a distancia.
DEFINIENDO PRESION
Para poder determinar la fuerza total ejercida en una superficie, es necesario saber la presión o fuerza en la unidad del área. Normalmente expresamos esta presión en Libras Por Pulgada Cuadrada Psi. Conociendo la presión y el numero de pulgadas cuadradas del área en la que se esta ejerciendo la fuerza se puede fácilmente determinar la fuerza total.
(Fuerza en Libras = Presión en Psi * Área en Pulg. Cuadradas).
CONSERVANDO LA ENERGIA
La ley fundamental de los físicos dice que la energía no se puede crear o destruir. La
multiplicación de la fuerza en la figura 1-2 no es el obtener algo para nada. El pistón más grande se mueve solamente por el desplazamiento del liquido por medio de un pequeño pistón haciendo que la distancia que cada pistón se mueve sea inversivamente proporcional a su área (Fig. 1-3).
Lo que se gana en fuerza se debe sacrificar en distancia o velocidad.
TRANSMISION DE POTENCIA HIDRÁULICA
La hidráulica ahora se puede definir como un medio de transmitir potencia al empujar sobre un liquido confinado. El componente de empuje de entrada del sistema se llama una bomba y el empuje de salida es un actuador.
Para simplificar las cosas hemos mostrado un pequeño pistón sencillo, la mayoría de las
bombas de potencia dirigida necesitaran muchos pistones, paletas o engranes según los de sus elementos de bombeo. Los actuadores son lineales, como el cilindro mostrado, o rotatorio como los motores hidráulicos. (Fig. 1-4).
El sistema hidráulico no es una fuente de energía. La fuente de energía es el primer
impulsor tales como un motor eléctrico o un motor que impulse la bomba. El lector se
preguntara ¿Por qué no olvidar la hidráulica y acoplar el mecanismo mecánico directamente al primer impulsor? La respuesta es la versatilidad del sistema hidráulico, el cual da las ventajas sobre otros métodos para transmitir potencia.
LAS VENTAJAS DE LA HIDRÁULICA
Velocidad Variable. La mayoría de los motores eléctricos trabajan a una velocidad
constante. También es deseable operar una maquina a una velocidad constante. Sin
embargo, el actuador (lineal o rotatorio) de un sistema hidráulico puede ser dirigido a
infinidad de velocidades variables al variar el abastecimiento de la bomba o usando una
válvula de control de flujo (Fig. 1-5).
Reversible. Algunos de los primeros impulsores son reversibles. Y esos que son reversibles normalmente se les baja la velocidad hasta un paro total antes de invertirlos. Un actuado hidráulico puede ser invertido en plena operación sin que se dañe. Una válvula direccional de cuatro pasos, (Fig. 1-6) o una bomba reversible pueden dar el control de inversión,
mientras que una válvula de alivio de presión protege los componentes del sistema de presión excesiva.
Protección de Sobrecarga. La válvula de alivio de presión en un sistema hidráulico lo
protege del daño que causa la sobrecarga. Cuando la carga excede el ajuste de la válvula, el abastecimiento de la bomba es dirigido al tanque con limites definidos de acuerdo a la torsión o fuerza de salida. La válvula de alivio de presión también da los medios para ajustar una maquina para una cantidad especificada de torsión o fuerza, como en la operación de sujetar o abrazar una pieza.
Paquetes Pequeños. Los componentes hidráulicos. a causa de sus altas velocidades y la compatibilidad de su presión, pueden dar una alta fuerza de salida siendo estos muy pequeños y ligeros.
Pueden ser Parados. Parar un motor eléctrico causaría daños o fundiría un fusible. Igualmente las maquinas no se pueden parar sin la necesidad de volverlas a prender. Sin embargo, un actuador hidráulico puede ser parado sin causar daños cuando este sobrecargado y arrancara inmediatamente cuando le reduzcan la carga. Mientras este parado, la válvula de alivio simplemente desviara el abastecimiento de la bomba al tanque.
La única perdida causada será el desperdicio de caballos de fuerza.
ACEITE HIDRAULICO
Cualquier liquido es esencialmente incomprensible y por eso transmite la fuerza
instantáneamente en un sistema hidráulico. Por cierto, el nombre de hidráulico viene de la palabra Griega hidros que quiere decir agua y aulos que quiere decir tubo. La primera prensa hidráulica Bramah y algunas de las prensas en servicio hoy, usan agua como medio de transmisión.
Sin embargo, el liquido mas comúnmente usado en los sistemas hidráulicos es el aceite de petróleo.
El aceite transmite la potencia fácilmente porque es muy poco compresible. Este se
comprimirá, un medio del uno por ciento en una presión de 1000 Psi, mínima cantidad en la mayoría de los sistemas.
La propiedad mas deseada del aceite es su habilidad de lubricación. El liquido hidráulico debe lubricar la mayoría de las partes móviles de dos componentes.
PRESION EN UNA COLUMNA DE FLUIDO
El peso de un volumen de aceite varia de grado, como su viscosidad (espesor). Sin
embargo, la mayoría del aceite hidráulico pesa de 55 a 58 libras por pie cúbico en
porcentajes de operación normales.
Una consideración importante del peso del aceite es el efecto de este en la entrada de la
bomba. El peso del aceite causara una presión de 0.4 Psi, mas 0 menos, al fondo de una columna de aceite de un pie. (Fig. 1-7). Por cada pie adicional de peso, este será .4 Psi mas.
Así que, para estimar la presión de cualquier columna de aceite, simplemente multiplique lo alto por .4 Psi.
Para aplicar este principio, considere en donde esta el deposito de aceite arriba o abajo de la entrada del abastecimiento de la bomba. (Fig. 1-8). Cuando el nivel del deposito de aceite esta mas arriba de la entrada de la bomba, se tiene una presión positiva para forzar el aceite dentro de la bomba. Sin embargo, si la bomba esta localizada arriba del nivel del aceite, un
vació equivalente a .4 Psi por pie se necesita, para "levantar" el aceite a la entrada de la
bomba. Realmente el aceite no es "levantado" por el vació, ya que es forzado por la presión atmosférica dentro del vació creado a la entrada de la bomba, cuando la bomba está funcionando. El agua y varios fluidos hidráulicos resistentes al fuego son mas pesados qué el aceite, y por eso requieren mas vació por pie para levantarlos.
LA PRESION ATMOSFERICA CARGA LA BOMBA.
Normalmente la entrada de la bomba se carga con aceite por medio de la diferencia de presión entre el deposito y la entrada de la bomba. Usualmente la presión en el deposito, es presión atmosférica, que es de 14.7 Psi en un medidor absoluto. Entonces es necesario tener un vació parcial o reducir la presión a la entrada de la bomba para crear flujo.
La figura 1-9 muestra una situación típica para una bomba hidráulica de palanca, la cual es simplemente un pistón reciproco. En el golpe de entrada, el pistón crea un vació parcial en la cámara bombeadora.
La presión atmosférica en el deposito empuja el aceite dentro de la cámara, para llenar el hueco.(En una bomba rotatoria el bombeo sucesivo de las cámaras aumenta en tamaño cada vez que pasan por la entrada, creando efectivamente una condición idéntica en el hueco).
Si fuese posible "jalar" un completo vació a la entrada de la bomba, ahí habría disponibles 14.7 Psi. Para empujar el aceite hacia dentro. Sin embargo, prácticamente la diferencia de presión disponible debería ser mucho menor.
Por una cosa, los líquidos se vaporizan en un vació. Esto pone burbujas de gas en el aceite.
Las burbujas pasan a través de la bomba, estallando con fuerza considerable, cuando se encuentran con una carga de presión en la salida y causan daño y desajustan el
funcionamiento de la bomba y reducen su duración.
Aun teniendo el aceite buenas características de presión evaporadora (como son casi todos
los aceites hidráulicos) una línea de entrada de presión muy baja (alto vació) permite que el aire se disuelva en el aceite que va de salida. Esta mezcla del aceite también choca cuando es expuesto a cargas de presión y causa el mismo daño de la cavitación.
Impulsando la bomba a una muy alta velocidad aumenta la velocidad en la línea de entrada y consecuentemente aumenta la condición de baja presión, mas adelante aumentando la posibilidad de cavitación.
Si los ajustes de la línea de entrada no están bien apretados, el aire puede ser forzado dentro de el área de mas baja presión de la línea por la presión atmosférica y ser arrastrado dentro de la bomba. Esta mezcla de aire y aceite puede causar problemas y ruido también, pero es diferente a la cavitación.
Cuando se expone a presión en la salida de la bomba, este aire adicional es comprimido a que forme el efecto de un cojín, y no explote con violencia. Este no es disuelto en el aceite pero pasa a través del sistema en forma de burbujas comprimibles lo que causa que el funcionamiento de la válvula y el actuador sean erróneos.
La mayoría de los fabricantes de bombas recomiendan un vació no mayor de 5 pulgadas de mercurio (pulg. Hg) el equivalente de mas o menos 12.2 Psi. Absoluto en la entrada de la bomba. Con la presión atmosférica de 14.7 Psi en el deposito, esto deja solamente 2 1/2 Psi de diferencia de presión para empujar el aceite dentro de la bomba. Un levantamiento
excesivo debe ser evitado y las líneas de entrada de la bomba debieran permitir que el aceite fluya con la menor resistencia.
EL DESPLAZAMIENTO POSITIVO DE LA BOMBA CREA FLUJO.
La mayoria de las bombas usadas en los sistemas hidráulicos están clasificadas como de desplazamiento positivo. Esto quiere decir que, excepto para cambios en eficiencia, el rendimiento de la bomba es constante sin importar la presión. La salida esta positivamente sellada desde la entrada, para que así lo que entre sea forzado hacia fuera por el orificio de salida.
El único propósito de la bomba es el de crear flujo; la presión es causada por la resistencia
del flujo. Aunque la tendencia común es culpar a la bomba de perdida de presión, con pocas excepciones la presión se puede perder solamente cuando hay un paso de fuga que desviar a todo el flujo de la bomba.
Para ilustrarlo, supongamos que una bomba de 10 galones por minuto (gpm) se usa para
empujar el aceite bajo un pistón de 10 pulgadas cuadradas y levantar 8000 libras de carga(figura 1-10). Cuando se esta levantando la carga o soportándola por el aceite hidráulico, la presión debe de ser de 800 Psi.
Aunque un agujero en el pistón permitiera una fuga de 9 1/2 gpm a 800 Psi, la presión se
mantendrá.
Con solo 1/2 gpm disponibles para mover la carga, esta, naturalmente, se elevara muy
lentamente.
Pero la presión necesaria para hacerlo se mantendrá igual. Ahora imagínense que una fuga de 9 1/2 gpm esta en la bomba en lugar de en el cilindro. Aun así habrá 1/2 gpm moviendo la carga y también aun habrá presión. Así que una bomba puede ser mal usada, perder casi toda su eficiencia y la presión se puede seguir manteniendo.
EI mantener la presión solamente no es un indicador de la condición de la bomba. Es
necesario medir el flujo a una presión dada, para determinar si la bomba esta en buenas o malas condiciones.
COMO SE CREA LA PRESION
La presión se crea cuando el flujo encuentra resistencia. La resistencia puede venir de (1)
una carga en un actuador o (2) una restricción (u orificio) en la tubería.
La figura 1-10 es un ejemplo de una carga en un actuador. Las 8000 libras de peso resisten
el flujo del aceite bajo el pistón y crean presión en el aceite. Si el peso aumenta. también aumentara la presión.
En la figura 1-11 una bomba de 10 gpm tiene su salida conectada a una válvula de alivio
ajustada a 1000 Psi y a una llave de agua común y corriente. Si la llave esta completamente abierta, el abastecimiento de la bomba fluye sin restricción y no marca nada en el medidor de presión.
Ahora suponga que la llave es gradualmente cerrada. Esta resistirá el flujo y causara
presión que se creara en el lado de contra-corriente. Así como se vaya restringiendo la
salida, esta tomara gradualmente mas presión para empujar los 10 gpm a través de la restricción. Sin la válvula de alivio, ahí teóricamente no habría limite de la presión creada.
En realidad, o algo se rompería o la bomba atascaría al primer componente.
En nuestro ejemplo en el punto en el que necesita 1000 Psi para empujar el aceite a través de la salida. La válvula de alivio se empezara a abrir. Entonces la presión se mantendrá a 1000 Psi. Aun mas cerrada la llave solamente nos daría menos aceite pasando por la salida y mas pasando por la válvula de alivio. Con la llave completamente cerrada. los 10 gpm
completos se irían a través de la válvula de alivio a 1000 Psi.
Se puede ver de arriba que una válvula de alivio u otro aparato limitador debiera ser usado en todos los sistemas que usen la bomba de desplazamiento positivo.
PASOS DE FLUJO PARALELOS
Una característica inherente de los líquidos es que estos siempre tomaran el paso que tenga menos resistencia. Así que cuando dos pasos paralelos ofrecen resistencias diferentes, la presión solo aumentara a la cantidad requerida por el paso de menos resistencia.
En la figura 1-12 el aceite tiene tres pasos para fluir. Ya que la válvula A se abre a una
presión de 100 Psi el aceite sé ira par allí y solo se creara una presión de 100. Si se
bloqueara el flujo detrás de A. La presión aumentaría a 200 Psi; entonces el aceite fluirá a través de B. No habría flujo a través de C a menos que el paso por la válvula B también sé cerrara.
Por lo tanto cuando la salida dela bomba es dirigido a los actuadores. el actuador que
necesite menos presión será el primero en moverse. Ya que es difícil balancear las dos
cargas exactamente, los cilindros que se deben de mover juntos son conectados
mecánicamente frecuentemente.
PASOS DE FLUJO EN SERIE
Cuando las resistencias al flujo son conectadas en serie la presión aumenta, En la figura 1-13 se muestran las mismas válvulas que en la figura 1-12, pero conectadas en serie. Los medidores de la presión colocados en las líneas indican la presión normalmente requerida para abrir cada válvula mas la contra-presión de las válvulas de la corriente de abajo. La presión en la bomba es la suma de la presión requerida para abrir válvulas individuales.
CAIDA DE PRESION A TRAVES DE UN ORIFICIO
Un orificio es un pasaje' restringido en una línea o componente hidráulico, usado para
controlar el flujo o crear una diferencia de presión (caída de presión).
Para que el aceite pueda fluir a través de un orificio, debe de haber una diferencia de
presión o una caída de presión a través de un orificio. (el termino "caída" viene del factor de una presión menor porque la presión menor es siempre corriente abajo).
Conversamente. si no hay flujo, no hay diferencia de presión a través del orificio.
Considerando las condiciones alrededor del orificio, en la figura 1-14 Dibujo A, La presión es igual en ambos lados, entonces, el aceite esta siendo empujado igualmente en ambas formas y no hay flujo.
En el Dibujo B, la presión mas alta empuja mas fuerte hacia la derecha y el aceite fluye a través del orificio, En el dibujo C también hay una caída de presión, sin embargo el flujo es menos que en la B porque la diferencia de presión es mas baja, un aumento en la caída de presión, a través de un orificio siempre acontecerá con aumento en flujo.
Si el flujo es parado detrás de un orificio (Dibujo D) la presión inmediatamente se igualar a en ambos lados del orificio de acuerdo con la ley de Pascal, este principio es esencial para el funcionamiento de muchos componentes de válvulas de control de presión.
LA PRESION INDICA EL TRABAJO DE LA CARGA
En la figura 1-10 ilustra como es generada la presión por medio de la resistencia a una
carta, ya se ha notado que la presión es igual a la fuerza de la carga dividida par el área del pistón.
Podemos expresar esta relación con la formula general
P = F/A
En esta relación:
P es presión en PSI (libras X pulgada cuadrada)
F es fuerza en libras
A es el área en pulgadas cuadradas.
De esto se puede deducir que un aumento o disminución en la carga dará como resultado a algo parecido al aumento o disminución en la presión operante. En otras palabras, la presión es proporcional a la carga y al leer un medidor de presión indicara el trabajo de la carga (en PSI en cualquier momento).
Las lecturas del medidor de presión normalmente ignoran la presión atmosférica. Esto es, un medidor estándar marca cero en la presión atmosférica. Un medidor absoluto da una lectura de 14.7 PSI al nivel del mar que es la presión atmosférica. La presión absoluta es
usualmente designada "PSIA".
LA FUERZA ES PROPORCIONAL A LA PRESION Y A EL AREA
Cuando un cilindro hidráulico se usa para sujetar u oprimir, su fuerza de salida se puede resumir como sigue:
F=P×A
Otra vez:
P es presión en Psi
F es fuerza en libras.
Como un ejemplo supongamos que una prensa hidráulica tiene una presión regulada a 2000 Psi (figura 1-15) y esta presión es aplicada a una área de ariete hidráulico de 20 pulgadas
cuadradas. Entonces la fuerza de salida será de 40,000 libras o 20 toneladas.
CALCULANDO EL AREA DE PISTON
El área del pistón o del ariete hidráulico pueden ser calculados con esta formula:
A = D² × 0.7854
A = es el área en pulgadas cuadradas.
d = al diámetro del pistón en pulgadas.
Las siguientes formulas son algunas veces ilustradas como se muestra para indicar las tres formulas.
LA VELOCIDAD DE UN ACTUADOR
Que tan rápido se desliza el cilindro o rote un motor depende de su tamaño y del porcentaje de aceite que fluya dentro de ellos. Para relacionar el porcentaje de flujo a la velocidad, considere el volumen que debe llenarse en un actuador para efectuar un deslizamiento especificado.
En la figura 1-16 nótese que ambos cilindros tienen el mismo volumen. Sin embargo, el
pistón en el cilindro B se moverá dos veces mas aprisa que el cilindro A. porque, el
porcentaje de flujo de aceite de la bomba se ha duplicado. Si uno de los dos cilindros tiene un diámetro menor, su porcentaje será más rápido; o, si su diámetro fuese más grande su porcentaje será menor considerando, naturalmente, que el abastecimiento de la bomba es constante.
La formula se puede expresar como sigue
Con esto sacamos a conclusión: (1) que la fuerza o torsión de un actuador es directamente proporcional a la presión e independiente al flujo, (2) que su velocidad o porcentaje de movimiento dependerá de la cantidad de flujo fluido sin tomar en cuenta la presión.
LA VELOCIDAD EN LA TUBERÍA
La velocidad a la que el fluido hidráulico fluye a través de las líneas es una consideración importante en el diseño por el efecto de la velocidad en la fricción. Generalmente, los porcentajes de velocidad recomendados son:
Línea de la entrada de la
Bomba................................... 2-4 pies por segundo
Líneas de trabajo................... 7-20 pies por segundo
En esta consideración, se debe tomar en cuenta que:
- La velocidad del fluido varia inversamente como el cuadrado del diámetro interior.
- Normalmente, la fricción del fluido que fluye a través de la línea es proporcional a la Velocidad. Sin embargo si el flujo se vuelve turbulento la fricción varia así como el cuadrado de la velocidad.
La Fig. 1-17 ilustra que duplicando el diámetro interior de una línea cuadruplica el área de sección transversal aunque la velocidad es solamente una cuarta de la velocidad en la línea larga. Conversamente, angostando el diámetro disminuye el área a 1/4 y cuadruplica la velocidad del aceite. La fricción crea turbulencia en el fluido del aceite y naturalmente se resiste al fluido, esto nos da como resultado una caída de presión, a través de la línea.
Una velocidad muy baja se recomienda para la línea de la entrada de la bomba porque ahí se puede tolerar muy poca caída de presión.
DETERMINANDO LOS REQUERIMIENTOS DEL TAMAÑO DE LA TUBERÍA
Hay dos formulas para medir las líneas hidráulicas.
Si se saben los gpm y la velocidad, use esta formula para saber el área interior de la sección transversal.
Cuando los gpm y el tamaño del tubo se saben, use esta formula para saber que velocidad habrá.
computaciones, solo con poner un margen derecho a través de las escalas impresas.
PORCENTAJE DE LOS TAMAÑOS DE LAS LINEAS
El porcentaje nominal en pulgadas para tubería, líneas, etc., no son indicadores exactos del diámetro interior de la tubería.
En las líneas estándar, el diámetro real interior es mayor que el tamaño nominal dado. Para seleccionar la tubería, se necesita una tabla estándar que muestra los diámetros interiores reales. (Ver Capitulo 4).
Para los tubos de acero y cobre, el tamaño nominal es el diámetro exterior. Para saber el diámetro interior reste dos veces el grueso de la pared del tubo. (Fig. 1-18).
POTENCIA Y TRABAJO
Cuando una fuerza o un empuje se ejerce a través de una distancia el trabajo esta hecho.
Trabajo = fuerza x distancia
E1 trabajo casi siempre se expresa en pies libras. Por ejemplo, si una carga de 10 libras se levanta 10 pies, el trabajo es de 10 libras x 10 pies o 100 pies libras.
La formula de trabajo anterior no toma en consideración que tan rápido se efectúa el
trabajo. El porcentaje de trabajo efectuado se llama potencia.
Para visualizar la potencia, piense en subir un piso de escaleras. E1 trabajo hecho es el peso del cuerpo multiplicado por la altura de la escalera. Pero es mas difícil correr hacia arriba que subirlas paso a paso.
Cuando usted corre, hace el mismo trabajo solo que en un porcentaje mas rápido.
La unidad estándar de potencia es caballos de fuerza, abreviando hp. Esto equivale a que 33,000 libras se levantaron un pie en un minuto. También tiene el equivalente en potencia eléctrica y en calor.
1 hp. = 746 watts (potencia electrica)
1 hp. = 42.4 btu/minuto (potencia de calor)
Obviamente, es preferible el poder convertir la potencia hidraulica a caballos de fuerza para que asi las potencias mecanicas, electrica o de calor sean conocidas.
CABALLOS DE FUERZA EN UN SISTEMA HIDRÁULICO
En el sistema hidráulico la velocidad y la distancia se indican par medio de los gpm qué fluyen y la fuerza por la presión. Asi tenemos que podemos expresar la potencia hidráulica asi:
CABALLOS DE FUERZA Y TORSIÓN
También es a menudo deseable el convertir de caballos de fuerza a torsión sin computar la presión y el flujo. Estas son formulas generales de torsión-potencia para cualquier equipo rotatorio:
La torsión en esta formula debe ser en libras-pulgadas.
Diseñando un Sistema Hidráulico Sencillo. De la información dada en este capitulo, es
posible diseñar un circuito hidráulico sencillo. Seguirlo es una simple descripción de como se va a hacer el trabajo
UN TRABAJO PARA HACER
Todos los diseños de circuitos deben empezar con un trabajo por hacer. Hay un peso que levantar, una cabeza de herramienta que girar o una pieza que debe ser prensada. El trabajo determina el tipo de actuador que se va a usar. Si solo se requiere levantar una carga, un cilindro hidráulico colocado debajo de esta, hará el trabajo. Lo largo de la carrera del cilindro será cuando menos igual a lo largo de la distancia que la carga se tiene que mover.
Su área será determinada por la fuerza requerida para levantar la carga y la presión operan te deseada. Supongamos un peso de 8000 libras que se va a levantar a una distancia de 30" y la presión operante debe ser limitada a 1000 Psi.
El cilindro seleccionado tendrá que tener una carrera de cuando menos 30" y con área de pistón de 8 pulg. cuadradas, esto daría una fuerza máxima de 8000 libras. Sin embargo, esto no nos dará ningún margen de error. Una mejor selección será un cilindro de 10 pulg. cuadradas permitiendo que la carga sea levantada con 800 Psi y dando una capacidad de levantamiento de 10,OOO libras. El desplazamiento de arriba y abajo del cilindro será controlado con una válvula direccional, si la carga se tiene que parar en un punto intermedio de su desplazamiento, la válvula direccional deberá tener una posición neutral en la cual el fluido de aceite de la parte de abajo del pistón sea bloqueada para soportar la
carga en el cilindro. El porcentaje al cual la carga debe de desplazarse determinara el
tamaño de la bomba. El pistón de 10 pulg. Cuadradas desplazara 10 pulg. cúbicas por cada pulgada que este levantado. Extendiendo el cilindro 30", este requerirá 300 pulg. cúbicas de fluido. Si este se debiera mover un porcentaje de 10" por segundo, este requerirá 100 pulg. cúbicas de fluido por segundo o 6,000 pulg. cúbicas por minuto. Ya que normalmente las bombas están calculadas en galones por minuto, será necesario dividir 231 (pulg. Cubicas por galón) en 6000 para convertir los requerimientos en galones por minuto - 6000 / 231 = 26 gpm.
Los caballos de fuerza necesarios para impulsar la bomba esta en función de su
abastecimiento y la máxima presión a la cual funcionara. La formula siguiente determinará el tamaño del impulso del motor eléctrico requerido:
hp. = gpm * Psi * 0.0007
hp = 26 * 1000 * 0.0007 = 18.2
Para evitar la sobrecarga del motor eléctrico y proteger la bomba y otros componentes de
presión excesiva debido alas sobrecargas o atascamientos,
un juego de válvulas de alivio deberá ser instalado en la línea entre la salida de la bomba y el orificio de entrada de la válvula direccional, para limitar la presión máxima del sistema.
Un deposito del tamaño aproximado de dos a tres veces la capacidad de la bomba en
galones por minuto y unas adecuadas interconexiones de tubo completarían el sistema.
PRINCIPIOS DE LA POTENCIA HIDRAULICA
Este capitulo se ha dividido en tres secciones:
- Los Principios de la Presión
- Los Principios del Flujo
- Los Símbolos Gráficos en Hidraulica.
En las primeras dos secciones se expondrán, además, los elementos de los fenómenos
físicos que entran en juego para la transmisión de potencia en un circuito hidráulico. En la tercera sección, que ilustra los símbolos gráficos que se utilizan en los diagramas de los circuitos, tratara de las diversas clases y funciones de las líneas y elementos. Toda esta información nos servirá como base para los siguientes capítulos, donde se estudia el equipo de que esta compuesto un sistema hidráulico.
LOS PRINCIPIOS DE LA PRESION
LA DEFINICION PRECISA
Ya se ha hecho mención de que el termino Hidraulica procede del vocablo griego que
significa agua. Por lo tanto, resulta correcto suponer que la ciencia de la hidraulica abarca a cualquier dispositivo accionado mediante agua. Una rueda de agua o turbina de agua, por ejemplo, (Fig. 2-1) es un dispositivo hidráulico.
Sin embargo, se debe hacer notar la diferencia entre los dispositivos que utilizan el impacto o ímpetu de un liquido en movimiento, y aquellos que funcionan mediante el empuje que se ejerce sobre un fluido confinado, es decir, mediante presión.
Propiamente hablando:
- Un dispositivo hidráulico que utiliza el impacto o energía cinética del liquido para transmitir potencia se denomina dispositivo hidrodinámico.
- Cuando el dispositivo se opera mediante la fuerza aplicada a un liquido confinado, se le denomina dispositivo hidrostático; en este caso, la presión resulta ser la fuerza aplicada, distribuida en toda el área libre y se expresa como fuerza entre unidad de área (Lbs/pulg. cuad. o Psi).
Desde luego, todas las ilustraciones que hemos visto hasta aquí y de hecho, todos los
sistemas y equipo con que se trata en este manual son hidrostáticos.
Todos ellos operan mediante el empuje ejercido sobre un fluido confinado, es decir, por transmisión de energía a través de la presión.
COMO SE CREA LA PRESION
La presión se origina siempre que existe una resistencia al flujo de un fluido o a una fuerza que trata de hacer fluir al fluido. La tendencia a originar flujo (0 el empuje) puede ser suministrado por una bomba mecánica o simplemente por el peso propio del fluido.
Es un hecho bien conocido que en una masa de agua la presión aumenta con la profundidad. La presión es siempre la misma a una profundidad determinada. debido al peso del agua que hay arriba de ese nivel. Aproximadamente en la misma época que Pascal, un sabia italiano llamado Torricelli demostró que si se abre un orificio en la parte inferior de un deposito de agua, esta sale con mayor velocidad cuando el deposito esta lleno y disminuye la cantidad de agua al ir decreciendo el nivel de agua. En otras palabras, a medida que disminuye el "potencial" del agua por arriba del orificio, decrece también la presión.
Torricelli solo pudo expresar la presión de la parte inferior del deposito como "pies de
potencial", es decir, como la altura en pies de la columna de agua.
Actualmente, al contar con la libra por pulgada cuadrada (Psi) como unidad de presión, podemos " expresar la presión de esta en cualquier parte de un liquido o gas, en términos mas convenientes. Lo único que se requiere es conocer el peso de un pie cúbico del fluido.
Como se muestra en la Fig. 2-2. el "potencial" de un pie de agua equivale a 0.434 Psi; el
potencial de una columna de cinco pies de agua es de 2.17 Psi, etc. Y como dijimos
anteriormente, el potencial del aceite equivale a alrededor de 0.4 Psi, por pie.
En muchos lugares, el termino "potencial" se utiliza para describir a la presión, sin tomar en cuenta la forma en que esta se haya originado. Por ejemplo, se dice que una caldera "levanta un potencial de; vapor", cuando se crea presión al vaporizar agua que se encuentra confinada. Los términos presión y "potencial" se utilizan a veces indistintamente.
LA PRESION ATMOSFERICA
La presión atmosférica no es mas que la que ejerce el aire de nuestra atmósfera debido a su propio peso. Al nivel del mar, una columna de aire de una pulgada cuadrada en sección transversal y el peso completo de su atmósfera, pesa 14.7 lbs. (Fig. 2-3).
Asi pues, la presión es de 14.7 psia.
Desde luego, que a mayores altitudes la columna pesa menos y la presión resulta mas baja.
Bajo el nivel del mar, la presión atmosférica es superior a 14.7 psia.
Cualquier condición en donde se encuentra una presión inferior a la atmosférica se dice que existe un vació o vació parcial. Un vació perfecto es la ausencia total de presión es decir, cero psia.
EL BAROMETRO DE MERCURIO
La presión atmosférica se mide también en pulgadas de mercurio (pulg. Hg) mediante un dispositivo denominado barómetro.
El barómetro de mercurio, inventado par Torricelli (Fig. 2-4), se considera generalmente como el punto de partida e inspiración de los estudios de Pascal sobre la presión, Torricelli descubrió que cuando se invierte un tubo lleno de mercurio sumergiéndolo en un recipiente abierto que contenga el mismo liquido, la columna del tubo desciende solo una cierta distancia. Su razonamiento fue que debía ser la presión atmosférica al actuar sobre la superficie del liquido, la que equilibrara el peso de la columna de mercurio al existir un vació perfecto en la parte superior del tubo.
En una atmósfera nominal, la columna estará siempre de 29.92 pulgadas de altura. Asi pues, 29.92 (que generalmente se redondea a 30 pulg. de Hg)es otro de los equivalentes de la presión de una atmósfera.
MEDICION DE UN VACIO
Puesto que un vació es una presión inferior a la atmosférica, se puede medir en las mismas unidades.
Es decir, se puede expresar en psia o en Psi (con unidades negativas), asi como en pulgadas de mercurio. Sin embargo, la mayor parte de los medidores de vació están calibrados en pulgadas de mercurio. El vació perfecto, que equilibra a una columna mercurio de 29.92 pulgadas de altura, es 29.92 pulg. Hg. El vacío cero (presión atmosférica) marca cero en la escala del medidor de vacío.
RESUMEN DE LAS ESCALAS DE PRESION Y DE VACIO
Puesto que se han tratado diversas formas de medir la presión y el vacío, resultaría
conveniente colocarlas juntas a fin de establecer una comparación.
presión y del vacío:
- Una atmósfera es la unidad de presión que equivale a 14.7 Psi, o a 14.7 psia (el peso de una columna de aire de una pulgada cuadrada de sección, del aire que envuelve a la tierra).
- Psia (libras por pulgada cuadrada absolutas) hace referencia a la escala que comienza con el vacío perfecto (o psia). En esta escala la presión atmosférica marca 14.7.
- Psi (libras par pulgada cuadrada manométricas) esta calibrada en las mismas unidades que psia, pero ignora a la presión atmosférica. La presión manométrica se puede abreviar también como psig.
- Para pasar de psia a psig:
Presión Manométrica + 14.7 = Presión absoluta.
Presión absoluta - 14.7 = Presión Manométrica.
5.La presión atmosférica en la escala del barómetro es de 29.92 pulg. de Hg. Al comparar este valor con la escala psia, resulta evidente que:
1 psi = 2 pulg. de Hg (aproximadamente)
1 pulg. Hg = 1/2 Psi (aproximadamente)
6.-Una atmósfera equivale aproximadamente a 34 pies de agua o a 37 pies de aceite.
LOS PRINCIPIOS DEL FLUJO
EI flujo es la acción del sistema hidráulico que proporciona movimiento al actuador. La
fuerza se puede transmitir exclusivamente mediante presión, pero para originar un
movimiento es esencial que haya flujo. EI flujo del sistema hidráulico se crea mediante la bomba.
COMO SE MIDE EL FLUJO
Existen dos formas de medir el flujo de un fluido. La velocidad es la rapidez promedio de las partículas de un fluido al pasar par un punto determinado o la distancia promedio que viajan las partículas por unidad de tiempo. Se mide en pies sobre segundo (fps), pies sobre minuto (fpm) o en pulgadas sobre segundo (ips).
El flujo es la medida del volumen de fluido que pasa por un punto en un tiempo
determinado. Los volúmenes grandes se miden en galones por minuto (gpm). Los pequeños se pueden expresar en pulgadas cúbicas par minuto.
En la Fig. 2-6 se ilustra la diferencia que existe entre la velocidad y el fluido. Un flujo
constante de un galón por minuto aumenta o disminuye su velocidad, según que la sección de tubería disminuye o aumenta su área respectivamente.
PORCENTAJE DEL FLUIDO Y VELOCIDAD
La velocidad de un actuador hidráulico, según se ilustro en el capitulo I. depende siempre del tamaño del actuador y del porcentaje que tenga. Puesto que el volumen del actuador se expresara en pulgadas cúbica. úsense los siguientes factores de conversión:
Siempre que un liquido se encuentra fluyendo, deberá existir alguna condición de
desequilibrio de fuerza para causar movimiento. Por lo tanto cuando un fluido fluye a través de un tubo, la presión será mas baja corriente abajo refiriéndonos a la corriente arriba. Esta diferencia de presión o caída de presión es necesaria para vencer la fricción en la línea.
En la Fig. 2-7 se ilustra la caída de la presión debido a la fricción. Las sucesivas caídas de
presión (desde la presión máxima, hasta presión cero) se muestran como diferencias de potencial en las sucesivas tuberías verticales.
UN FLUIDO TRATA DE MANTENER EL NIVEL
Por lo contrario, cuando no hay diferencia de presión en un liquido, este simplemente trata de mantener un nivel, según se muestra en la Fig. 2-8. Si en algún punto cambia la presión(dibujo B) los niveles del liquido en los demás puntos se elevan, vera solo hasta la altura en que su peso es el suficiente como para hacer la diferencia de presión. La diferencia de altura (potencial) en el caso del aceite es de un pie por cada 0.4 Psi. Asi se puede ver que para que un liquido suba por una tubería o para hacerlo ascender por la misma, se requerirá de una diferencia de presión ya que habrá que vencer la fuerza debida al peso del fluido.
Naturalmente en el diseño del circuito, la presión que se requiere para desplazar a la masa de aceite y para vencer la fricción, debe ser agregada a la presión necesaria para mover la carga.
En la mayoría de las aplicaciones, un buen diseño reduce al mínimo estas "caídas" de
presión, hasta el punto de hacerlas casi despreciables.
FLUJO LAMINAR Y TURBULENTO
En forma ideal, cuando las partículas de un fluido se desplazan en forma suave y paralela a la dirección del flujo. (Fig. 2-9). Cuando esto ocurre se dice que el flujo es laminar y se obtiene a bajas velocidades y en tubería recta. Con el flujo laminar la fricción se reduce al mínimo.
Existe turbulencia cuando las partículas no se desplazan en forma suave y paralela a la
dirección del flujo (Fig. 2-10). El flujo turbulento es originado por cambios abruptos en la dirección o en el área de la sección transversal o por una velocidad excesiva.
Esto nos da como resultado un gran aumento en la fricción, que produce calor, aumenta la presión de operación y desperdicia potencia.
EL PRINCIPIO DE BERNOULLI
El fluido hidráulico de un sistema en operación contiene energía en dos formas: energía cinética en virtud del peso del fluido y velocidad y energía potencial en forma de presión.
Daniel Bernoulli, que fue un científico Suizo, demostró que en un sistema con un
porcentaje de fluido constante, la energía se transforma de una forma a la otra cada vez que varia el área de la sección transversal de la tubería.
El principia de Bernoulli nos dice que la suma de las energías de presión y cinética en los diversos puntos de un sistema, debe ser constante si el porcentaje lo es. Al variar el
diámetro de la tubería (Fig. 2-11), varia también la velocidad. Asi pues, la energía cinética aumenta o disminuye. Sin embargo la energía no se puede crear ni destruir. Por lo tanto, el cambio en energía cinética se debe compensar mediante una disminución o incremento de la presión.
La utilización de un Venturi en el carburador de un automóvil (Fig. 2-12) es un ejemplo familiar del principio de Bernoulli. La presión del aire que pasa a través del cuerpo del carburador se reduce al pasar por una sección transversal reducida de la garganta. Esta disminución de presión permite que la gasolina fluya, se vaporice y se mezcle con la corriente de aire.
La Fig. 2-13 nos muestra los efectos combinados que tienen los cambios en la fricción y la velocidad sobre la presión de una tubería.
SIMBOLOS GRAFICOS EN EL SISTEMA HIDRÁULICO
Los circuitos hidráulicos y sus componentes se indican de diversas formas en los dibujos.
Según la información que nos deba proporcionar la ilustración, se puede tener una representación pictórica de la parte externa del componente; un corte seccional que muestre la construcción interna; un diagrama grafico que nos indique la función; o una combinación de los tres anteriores.
En este manual, por necesidad, se utilizan los tres tipos. Sin embargo, en la industria, el
mas común es el diagrama grafico y simbólico. Los símbolos gráficos constituyen la "taquigrafía" de los diagramas de circuitos, utilizándose formulas geométricas sencillas qué indican las funciones e interconexiones de las líneas y componentes.
LINEAS
Las tuberías, tubos y pasos hidráulicos se trazan como simples líneas (Fig. 2-14). Existen
tres clasificaciones fundamentales:
- Una línea de trabajo (so1ida) lleva la corriente principal de flujo del sistema. Para efectos del diagrama grafico, quedan incluidas en la misma categoría la línea de entrada de la bomba (succión), las líneas de presión y las de inversión al deposito.
- Una línea piloto (guiones largos) lleva el fluido que se utiliza para controlar el funcionamiento de una válvula u otro componente.
- Una línea de drenaje (guiones largos) lleva el aceite de fuga de regreso al deposito.
COMPONENTES ROTATORIOS
Un circulo es el símbolo básico para un componente rotatorio. Las fuentes de energía (Fig.2-15) muestran con triángulos para indicar la energía (bombas) o como receptores de energía (motores). Si el elemento es unidireccional, el símbolo presenta solamente un triangulo. Una bomba o motor reversible se dibuja con dos triángulos.
CILINDROS
Un cilindro se dibuja como un rectángulo (Fig. 2-16) indicando el pistón, el vástago y las conexiones de los orificios. Un cilindro de simple acción se dibuja abierto al extremo del vástago y con una sola conexión al orificio del extremo de la tapa. El cilindro de doble acción se representa cerrado y con dos orificios.
VÁLVULAS
El símbolo fundamental de una válvula es un cuadrado (Fig. 2-17). Le llaman sobres, se les agregan flechas a los sobres que muestran las trayectorias del flujo y la dirección del mismo.
Las válvulas de presiones infinitas, tales como las de alivio, cuentan con un solo sobre. Se considera que pueden adoptar cualquier posición, desde total mente cerradas, hasta totalmente abiertas, según el volumen de liquido que pase a través de ellas.
Las válvulas de posiciones finitas son las direccionales. Sus símbolos constan de un sobre individual para cada una de las posiciones a las que se puede cambiar la válvula.
SIMBOLO DEL DEPOSITO DE ACEITE
EI deposito se dibuja en forma de rectángulo (Fig. 2-18), abierto en su parte superior
cuando se trata de un deposito con respiradero y cerrado, cuando es un deposito presurizado. Por conveniencia, se pueden dibujar varios símbolos en un diagrama, aún cuando no exista mas que un solo deposito.
Las líneas de conexión se dibujan hasta llegar a la parte inferior del símbolo cuando las tuberías terminan por abajo del nivel del fluido del deposito. Si una tubería termina por arriba del nivel del fluido, se dibuja solo hasta la parte superior del símbolo.
CONCLUSIÓN
La figura 2-18 muestra el diagrama grafico de todo un circuito hidráulico. Nótese que no se hace ningún intento por describir el tamaño, forma, colocación o construcción de ninguno de sus elementos.
Lo que se muestra el diagrama es la función y las conexiones, con lo cual basta para la
mayor parte de las aplicaciones de la rama.
En los capítulos que tratan sobre los elementos y sistemas, se expondrán las variaciones y refinamientos de que son susceptibles estos símbolos fundamentales.
Fuente : Extracto sacado del Manual de Vickers Hidráulic
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