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HIDRULICA Joan Sebastin Prada, Jos Israel Monroy
Universidad Distrital Francisco Jos De Caldas Bogot,
Colombia
Resumen: El desarrollo de la hidrulica se ha basado
principalmente en los conocimientos
empricos transmitidos a travs de generaciones y en la aplicacin
sistemtica de ciencias,
principalmente Matemticas y Fsica. Una de estas ciencias, es la
Mecnica de los Fluidos, que
proporciona las bases tericas en que descansa la hidrulica.
La utilizacin y el manejo de los fluidos, principalmente el
agua. Esta disciplina se avoca, en general, a la solucin de
problemas tales como, el flujo de lquidos en tuberas, ros y canales
y a las fuerzas desarrolladas por lquidos confinados en depsitos
naturales y los confinados arterialmente
Introduccin Este artculo tiene como finalidad identificar rasgos
importantes de la hidrulica dando importancia a las ventajas
desventajas y aplicaciones que se pueden encontrar en estos
procesos as mismo tuvimos la intencin de resolver muchas preguntas
frente a las caractersticas de los fluidos y los tipos de bombas
que se pueden tener en cuenta en la hidrulica. Esperamos el
articulo sea lo ms completo posible para dar solucin a muchas de
las preguntas que puedan tener los lectores de dicho texto.
1. Principios fsico de hidrulica 1.1 Principio de Pascal La
presin aplicada a un fluido confinado se transmite ntegramente en
todas las direcciones y ejerce fuerzas iguales sobre reas iguales,
actuando estas fuerzas normalmente a las paredes del
recipiente.
Figura 1 Diagrama de fuerzas
En cuanto a los desplazamientos de los mbolos, como el volumen
de lquido que sale del cilindro 1 es igual al que entra en el
cilindro 2
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1.2 Ley de continuidad Considerando a los lquidos como
incomprensibles y con densidades constantes, por cada seccin de un
tubo pasar el mismo caudal por unidad de tiempo.
Figura 2 Diagrama de caudal continuo
Cuando las secciones de las conducciones son circulares
donde la velocidad vara de forma inversamente proporcional al
cuadrado del dimetro. 1.3 Teorema de Bernouilli Si consideramos dos
secciones en un mismo conductor, podemos establecer el siguiente
balance energtico:
Figura 3 Diagrama de fuerzas debido al diferencia de altura
1.4 Energa esttica potencial: depende de la masa y la posicin
relativa de esa masa.
Energa hidrosttica debida a la presin: determina el trabajo
desarrollado en cada momento
Energa hidrodinmica: es debida a la energa cintica del fluido,
por lo tanto depende de la velocidad.
Si consideramos dos secciones diferentes, tal y como se indican
en la figura anterior, y sumamos todas las energas que entran en
juego
Como A1 es el volumen desplazado del fluido, y como
Por lo tanto, si disminuye la velocidad, debe aumentar la presin
para que la igualdad se mantenga. Por otra parte,
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como la masa de fluido en una determinada seccin es pequea, la
energa cintica, aunque tengamos velocidades considerables, es
despreciable en instalaciones de este tipo. El transporte de energa
es funcin de la presin a que sometemos el fluido 1.4 Potencia (P)
La potencia necesaria de la bomba es funcin de:
P= Potencia en W p= Presin en N/m2 = Pa Q= Caudal en m3/s =
Rendimiento de la bomba en tanto por uno Prdidas de carga (hf)
Tanto en rgimen laminar como turbulento, representa la disminucin
de presin que experimenta un lquido al circular por un
conductor.
hf= Prdida de carga expresada en altura de columna de lquido l=
Longitud del conducto D= Dimetro del conducto v= Velocidad del
lquido g= Constante de gravedad = Coeficiente de friccin. En el
caso de rgimen laminar = 64/Re 1.5 Resistencia hidrulica ( R ) Es
la resistencia que oponen los elementos del circuito hidrulico al
paso del lquido.
2. Ventajas y desventajas de la
hidrulica y neumtica.
Los sistemas de transmisin de energa
oleohidrulicos y neumticos son una
garanta de seguridad, calidad y fiabilidad
a la vez que reducen costos. La
Seguridad es de vital importancia en la
navegacin area y espacial, en la
produccin y funcionamiento de
vehculos, en la minera y en la
fabricacin de productos frgiles. Por
ejemplo, los sistemas oleohidrulicos y
neumticos se utilizan para asistir la
direccin y el frenado de coches,
camiones y autobuses. Los sistemas de
control oleohidrulico y el tren de
aterrizaje son los responsables de la
seguridad en el despegue, aterrizaje y
vuelo de aviones y naves espaciales. Los
rpidos avances
Realizados por la minera y construccin
de tneles son el resultado de la
aplicacin de modernos sistemas
oleohidrulicos y neumticos. La
Fiabilidad y la Precisin son necesarias
en una amplia gama de aplicaciones
industriales en las que los usuarios
exigen cada vez ms una mayor calidad.
Los sistemas oleohidrulicos y
neumticos utilizados en la manipulacin,
sistemas de fijacin y robots de
soldadura aseguran un rendimiento y una
productividad elevados, por ejemplo, en
la fabricacin de automviles. En relacin
con la industria del plstico, la
combinacin de la oleohidrulica, la
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neumtica y la electrnica hacen posible
que la produccin est completamente
automatizada, ofreciendo un nivel de
calidad constante con un elevado grado
de precisin. Los sistemas neumticos
juegan un papel clave en aquellos
procesos en los que la higiene y la
precisin son de suma importancia, como
es el caso de las instalaciones de la
industria farmacutica y alimenticia, entre
otras. La Reduccin en el costo es un
factor vital a la hora de asegurar la
competitividad de un pas industrial. La
tecnologa moderna debe ser rentable y
la respuesta se encuentra en los
sistemas oleohidrulicos y neumticos.
Entre otros ejemplos, cabe citar el uso
generalizado de estos sistemas en la
industria de carretillas elevadoras
controladas hidrulicamente, las
mquinas herramientas de alta
tecnologa, as como los equipos de
fabricacin para procesos de produccin
automatizada, las modernas
excavadoras, las mquinas de
construccin y obras pblicas y la
maquinaria agrcola. Con respecto a la
manipulacin de materiales y para citar
unos ejemplos, los sistemas
oleohidrulicos permiten que una sola
persona pueda trasladar, fcil y
rpidamente, grandes cantidades de
arena o de carbn.
Entre las ventajas ms importantes de la
neumtica encontramos las siguientes:
Debido al ciclo del agua su disponibilidad es inagotable.
Se pueden regular los controles de flujo en caso e que haya
riesgo de una inundacin.
Ventajas de la Oleohidrulica
Permite trabajar con elevados niveles de fuerza o mementos de
giro
El aceite empleado en el sistema es fcilmente recuperable
Velocidad de actuacin fcilmente controlable
Instalaciones compactas
Proteccin simple contra sobrecargas
Cambios rpidos de sentido
Arranque desde cero con carga mxima
Movimientos homogneos e independientes de la carga
Buenas caractersticas de mando
Entre las desventajas ms importantes de la neumtica estn las
siguientes:
Contaminacin del entorno
Sensibilidad a la suciedad
Dependencia de la temperatura
La construccin de las platas requiere
una gran inversin, por otra parte, los
sitios donde se pueden construir
centrales en condiciones econmicas son
muy limitadas.
Perdidas de carga
Personal especializado para la
mantencin
Fluido muy sensible a la contaminacin.
Transmisin de fuerzas
Posicionamiento exacto
3. Campos de aplicacin de la
hidrulica y neumtica
En la actualidad las aplicaciones de la
oleohidrulica muy variadas, esta
amplitud en los usos se debe
principalmente al diseo y fabricacin de
elementos de mayor precisin y con
materiales de mejor calidad, acompaado
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adems de estudios ms acabados de
las materias y principios que rigen la
hidrulica . Todo lo anterior se ha visto
reflejado en equipos que permiten
trabajos cada vez con mayor precisin y
con mayores niveles de energa, lo que
sin duda ha permitido un creciente
desarrollo de la industria en general.
Dentro de las aplicaciones se pueden
distinguir dos, mviles e industriales
Aplicaciones Mviles El empleo de la
energa proporcionada por el aire y aceite
a presin, puede aplicarse para
transportar, excavar, levantar, perforar,
manipular materiales, controlar e
impulsar vehculos mviles tales como:
Tractores
Gras
Retroexcavadoras
Camiones recolectores de basura
Cargadores frontales
Frenos y suspensiones de camiones
Vehculos para la construccin y
mantencin de carreteras
Aplicaciones Industriales En la
industria, es de primera importancia
contar con maquinaria especializada para
controlar, impulsar, posicionar y
mecanizar elementos o materiales
propios de la lnea de produccin, para
estos efectos se utiliza con regularidad la
energa proporcionada por fluidos
comprimidos. Se tiene entre otros:
Maquinaria para la industria plstica
Mquinas herramientas
Maquinaria para la elaboracin de
alimentos
Equipamiento para robtica y
manipulacin automatizada
Equipo para montaje industrial
Maquinaria para la minera
Maquinaria para la industria siderrgica
Otras aplicaciones se pueden dar en
sistemas propios de vehculos
automotores, como automviles,
aplicaciones aeroespaciales y
aplicaciones navales, por otro lado se
pueden tener aplicaciones en el campo
de la medicina y en general en todas
aquellas reas en que se requiere
movimientos muy controlados y de alta
precisin, as se tiene: Aplicacin
automotriz: suspensin, frenos, direccin,
refrigeracin, etc. Aplicacin Aeronutica:
timones, alerones, trenes de aterrizaje,
frenos, simuladores, equipos de
mantenimiento aeronutico, etc.
Aplicacin Naval: timn, mecanismos de
transmisin, sistemas de mandos,
sistemas especializados de
embarcaciones o buques militares
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4. Diagrama de un sistema hidrulico
bsico
1.5. Circuitos hidrulicos bsicos El esquema que sigue representa
un circuito hidrulico de fuerza clsico, donde el elemento de
trabajo es un cilindro de fuerza. Los elementos constitutivos del
circuito hidrulico son: - Un recipiente con aceite. - Un filtro -
Una bomba para el aceite. Mientras la palanca de accionamiento de
la vlvula de control est en su posicin de reposo (centro) el aceite
bombeado por la bomba retorna libremente al recipiente, de manera
que el cilindro de fuerza se mantiene inmvil. Una vez que se
acciona la palanca de control en cualquiera de las dos direcciones,
se cierra la comunicacin del retorno libre al recipiente y se
conecta la salida de la bomba a uno de los lados del cilindro de
fuerza
mientras que el otro lado se conecta al retorno.
Figura 4 diagrama didctico hidrauico.
De esta forma la elevada presin suministrada por la bomba acta
sobre el pistn interior del cilindro de fuerza desplazndolo en una
direccin con elevada fuerza de empuje. El movimiento de la palanca
de control en la otra direccin hace el efecto contrario.
Figura 4 Diagrama esquemtico hidrulico.
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1. Cilindro hidrulico de simple efecto. Retorno o entrada del
vstago por fuerza exterior. 2. Presostato. Seala cuando el vstago
est alimentado bajo presin. 3. Distribuidor de 2posiciones y
3valvulas, de accionamiento manual y enclavamiento 4. Alimentacin a
cilindro, flexible. 5. Tubera rgida en resto de circuito. 6.
Regulador de caudal regulable con una sola circulacin de fluido. 7.
Vlvula reductora de presin. 8. Recipiente de fluido hidrulico 9.
Distribuidor de 2p y 3v, de accionamiento manual (pulsador) y
retorno a la posicin inicial por resorte. 10. Manmetro. 11. Vlvula
anti retorno tarada. 12. Termmetro. Seala la temperatura del fluido
hidrulico. 13. Vlvula manual de aislamiento. 14. Punto en que se
inicia la instalacin. Detrs queda el grupo hidrulico. 15. Vlvula
limitadora de presin (seguridad).
5. CARACTERISTICAS DE LOS
FLUIDOS HIDRAULICOS
En principio, cualquier lquido es
apropiado para transmitir energa. No
obstante, el lquido utilizado en un
sistema hidrulico tiene que cumplir con
ciertas condiciones. El agua presenta
ciertas VENTAJAS: poca contaminacin
en caso de fugas, ningn riesgo de
incendio, facilidad de manejo, barato,
pero tiene bastantes INCONVENIENTES:
no lubrica adecuadamente, corroe
materiales frreos, su viscosidad es baja
y dificulta la estanqueidad, su punto de
congelacin es alto y su punto de
ebullicin es bajo. Por tanto, hay que
recurrir a otro tipo de fluido.
5.1. FUNCIONES DE LOS FLUIDOS EN
SISTEMAS OLEOHIDRULICOS.
El fluido hidrulico acta como vehculo
transmisor de la energa del punto de
transformacin al punto de utilizacin de
cualquier sistema hidrulico.
Tericamente podra utilizarse como
fluido hidrulico cualquier fluido, ya que
todos cumplen con las leyes de Pascal:
Toda presin ejercida sobre un lquido
confinado es transmitida sin prdidas por
igual a todos los puntos de su masa y
acta con fuerzas iguales sobre reas
iguales.
Siguiendo a este concepto, la variedad
de fluidos a utilizar sera muy amplia; sin
embargo, en la prctica, el nmero de
fluidos utilizados se limita a clasificarlos
por su inflamabilidad:
a) Fluidos inflamables: aceites de base
mineral
b) Fluidos no inflamables o fluidos
difcilmente inflamables:
emulsin de aceites en agua
emulsin de agua en aceite
soluciones de polmeros en agua
fluidos sintticos sin agua
con todo lo anterior podemos ir
expresando que cada fluido hidrulico
ebe cumplir con cuatro objetivos
principales los cuales son:
1. Transmitir potencia: como medio
transmisor de potencia, el fluido debe
-
poder circular fcilmente por el circuito
con la menor prdida de carga
2. Lubricar y proteger: en la mayora de
los mecanismos hidrulicos, la
lubricacin interna la proporciona el fluido
con el fin de reducir la friccin entre los
elementos que se deslizan uno contra
otro (ejemplo, paleta-anillo) sobre una
pelcula del fluido, para que la vida de los
mismos sea lo ms larga posible. Para
conseguirlo, se debe mantener una
viscosidad adecuada a la temperatura de
servicio, protegiendo las superficies del
desgaste, corrosin y herrumbre,
mantenindolas al mismo tiempo libre de
impurezas.
3. Estanquidad: en muchos casos el
fluido cumple funciones de sellante o
junta dentro de los mecanismos.
4. Refrigerar: las fugas internas y el
rozamiento interno de los componentes
hidrulicos generan calor; este calor debe
ser distribuido ya sea mediante los
dispositivos adecuados
(intercambiadores) y a travs de las
lneas y tanques de almacenamiento. la
funcin del fluido es transportar ese calor
generado a los puntos donde ser
disipado para evitar puntas de
temperatura en los puntos de generacin.
Aparte de estas funciones bsicas, al
fluido hidrulico se le exige varias
caractersticas con mayor o menor
incidencia, dependiendo del diseo y
exigencias del fabricante de los
componentes del sistema, siendo las
principales la viscosidad y la estabilidad
trmica y qumica, entre otras.
Un fluido es una sustancia que se
deforma continuamente cuando se le
aplica un esfuerzo tangencial por
pequeo que sea. Fluidos son liquidos y
gases. Los liquidos se diferencia de los
gases por la fluidez y menor movilidad de
sus partculas y porque ocupan un
volumen determinado, separndose del
aire mediante una superficie plana.
5.2. Propiedades fundamentales de los
lquidos
Los lquidos son sistemas deformables
constituidos por un nmero infinito de
puntos materiales aislados,
infinitesimales. Se trata de sistema
continuos donde no existen esoacios
vacios dentro de la masa
Desde el punto de vista de la mcanica
cabe destacar las siguientes
propiedades fundamentales de los
lquidos:
ISOTROPIA: Se conoce como istropos
a las sustancias cuya propiedades son
idnticas en cualquier direccin
MOVILIDAD: Carencia de forma propia.
Aptitud para adoptar cualquier forma, la
del recipiente que los contiene
VISCOSIDAD: Propiedad por la que el
liquido ofrece resistencia a los esfuerzos
tangenciales que tienden a deformarlo
Las principales funciones de los fluidos
utilizados en circuitos oleohidrulicos
son:
1. Capacidad de transmisin de potencia.
-
En los circuitos hidrulicos, el fluido se
emplea para transmitir potencia; esta
transmisin se basa en el Principio de
Pascal, por el que la presin ejercida en
un punto del fluido se transmite a
cualquier punto del mismo.
2. Lubricacin entre las partes mviles y las
fijas. El fluido debe reducir la friccin y el
desgaste entre los diferentes elementos
del circuito.
3. Disipacin (refrigeracin) del calor
generado en el circuito.
En los circuitos hidrulicos se genera
calor debido a la friccin entre partes fijas
y mviles y a la friccin del aceite en los
conductos y en los diferentes elementos.
Es habitual hacer circular el aceite a
travs de intercambiadores para
mantener una temperatura adecuada de
trabajo del mismo.
4. Proteccin frente a la corrosin.
El fluido deben impedir el ataque qumico
del agua de condensacin y de ciertos
aditivos del mismo sobre los elementos
del circuito, y cuya proporcin va
aumentando a medida que el fluido se va
oxidando.
5. Amortiguacin de vibraciones causadas
por transitorios de presin.
Los fluidos hidrulicos modernos han ido
cambiando continuamente y como se
mencionado anteriormente, la evolucin
que se va produciendo en los sistemas
hidrulicos, con un creciente grado de
sofisticacin y rendimiento de los
equipos, ha llevado consigo que las
condiciones de servicio de los fluidos
hidrulicos sean cada vez ms severas y
es de esperar que esta tendencia siga en
el futuro.
Por lo tanto, las exigencias demandadas
a los fluidos hidrulicos actuales son muy
superiores a las del pasado y la eleccin
del tipo adecuado resulta cada vez ms
crtica y de vital importancia para obtener
el rendimiento deseado.
Asimismo, la aplicacin de los sistemas
hidrulicos ha ido en constante aumento
y se ha extendido tambin a industrias
donde existe riesgo de incendio por la
proximidad de un foco de calor al circuito
hidrulico. Esto origin, en su da, la
aparicin de los llamados fluidos
hidrulicos resistentes al fuego o de
seguridad. El incremento de las normas y
medidas de seguridad en el trabajo han
favorecido la demanda de este tipo de
productos.
Por otra parte, la preocupacin existente
ltimamente por la ecologa y todo lo
relacionado con la proteccin del entorno
ha dado lugar al reciente desarrollo de
fluidos hidrulicos biodegradables y
compatibles con el medio ambiente.
5.3 propiedades
Las propiedades principales que debe
presentar un fluido hidrulico son:
Viscosidad adecuada
Baja compresibilidad
Buen comportamiento
viscosidad/temperatura: IV elevado
Buenas propiedades lubricantes, que
frecuentemente deben ser potenciadas
con propiedades anti desgaste
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Buena estabilidad trmica
Buena estabilidad qumica (resistencia a
la oxidacin y a la hidrlisis)
Buena estabilidad al cizallamiento
mecnico
Bajo punto de congelacin
Buenas propiedades anticorrosivos y
antiherrumbre
Buen comportamiento con juntas y
retenes
Buenas propiedades desemulsionantes
Buenas propiedades antiespumantes
Buena desaireacin
Buena filtrabilidad (en algunos casos es
fundamental)
Si bien de forma general un fluido
hidrulico debe presentar todas estas
propiedades, segn sea el diseo del
equipo, en donde el tipo de bomba
presente es un factor primordial, la
aplicacin y sobre todo las condiciones
de servicio, unas propiedades cobrarn
mayor importancia que otras y, por lo
tanto, se debern ver potenciadas.
La bomba es el componente ms crtico
en todo sistema hidrulico. Por una parte,
determina la viscosidad ptima del fluido
para que la transmisin de potencia se
realice de forma eficaz y por otra, al
producirse en su interior las mayores
presiones locales, es donde resultan ms
necesarias las propiedades lubricantes.
Existen tres tipos diferentes de bombas:
engranajes, paletas y pistones.
En la mayora de las bombas de
pistones, el fluido opera en rgimen
hidrodinmico, por lo que su capacidad
lubricante depende exclusivamente de la
viscosidad. Adems, los contactos
metlicos presentes son acero-bronce y
en consecuencia, deber poseer una
buena compatibilidad con los metales,
tanto frreos como no-frreos.
Contrariamente, en las bombas de
paletas y engranajes se opera en
rgimen de lubricacin mixta y en casi
todas ellas los contactos son acero-
acero, a excepcin de ciertas bombas de
engranajes que contienen elementos de
bronce. Por esta razn, para estos dos
tipos de bombas se requiere que el fluido
posea unas buenas propiedades
antidesgaste, sobre todo cuando trabajan
a su mximo rendimiento.
El incremento de las prestaciones
exigidas a los fluidos hidrulicos ha
implicado que su tecnologa se haya
desarrollado fundamentalmente para
mejorar las propiedades siguientes:
Estabilidad trmica
estabilidad qumica: oxidacin e hidrlisis
caractersticas antidesgaste y EP
filtrabilidad
compatibilidad multi-metal: metales
frreos y no frreos.
5.4 Estabilidad trmica y qumica
La oxidacin de un fluido hidrulico se
produce por la reaccin de sus molculas
con el oxgeno del aire y se favorece con
el aumento de la temperatura. Hasta los
60 C, el proceso es lento, pero a
temperaturas superiores la velocidad de
reaccin se acelera considerablemente.
Es el factor principal que limita su
duracin en servicio y origina los
siguientes efectos nocivos:
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Aumento de la viscosidad
formacin de compuestos cidos
corrosivos
formacin de compuestos insolubles:
lodos, lacas o barnices.
Ciertos aditivos, sobre todo los de tipo
antidesgaste, pueden descomponerse a
elevadas temperaturas o bien hidrolizarse
por la presencia de agua y altas
temperaturas. Esta degradacin trmica
y/o hidroltica ocasiona la prdida de
aditivacin y, por lo tanto, de propiedades
antidesgaste, as como la formacin de
productos corrosivos e insolubles, al igual
que sucede con el proceso de oxidacin.
Por una parte, los productos insolubles
resultantes de dichos procesos de
degradacin pueden llegar a obturar los
filtros presentes en el circuito y/o
depositarse sobre determinados
componentes del mismo (vlvulas,
bombas, actuadores, etc.), interfiriendo
sus operaciones y causando una
completa inoperabilidad del sistema. Y
por otra, los productos corrosivos
producidos pueden atacar los metales
no-frreos existentes en el circuito,
principalmente el cobre y sus aleaciones,
acortando la vida til de los
correspondientes componentes, como
por ejemplo las bombas de pistones.
Los ensayos principales para evaluar
estas propiedades son:
Estabilidad trmica- Ensayo Cincinnati
Milacron
Estabilidad a la hidrlisis: Ensayo ASTM
D 2619 (ensayo de la botella de coke)
Estabilidad a la oxidacin: Ensayo ASTM
D 943 (TOST y su variante Lodos y
Corrosin ASTM D 943 1.000 horas
5.5 Generalidades del aceite
En sistemas hidrulicos desempea la
doble funcin de lubricar y transmitir
potencia. Constituye un factor vital en un
sistema hidrulico, y por lo tanto, debe
hacerse una seleccin cuidadosa del
aceite con la asistencia de un proveedor
tcnicamente bien capacitado. Una
seleccin adecuada del aceite asegura
una vida y funcionamiento satisfactorios
de los componentes del sistema,
principalmente de las bombas y motores
hidrulicos y en general de los
actuadores. Algunos de los factores
especialmente importantes en la
seleccin del aceite para el uso en un
sistema hidrulico industrial, son los
siguientes:
1. El aceite debe contener aditivos que
permitan asegurar una buena
caracterstica anti desgaste. No todos los
aceites presentan estas caractersticas
de manera notoria.
2. El aceite debe tener una viscosidad
adecuada para mantener las
caractersticas de lubricante y limitante
de fugas a la temperatura esperada de
trabajo del sistema hidrulico.
3. El aceite debe ser inhibidor de
oxidacin y corrosin.
4. El aceite debe presentar
caractersticas antiespumantes. Para
obtener una ptima vida de
funcionamiento, tanto del aceite como del
-
sistema hidrulico; se recomienda una
temperatura mxima de trabajo de 65C.
Fluidos Hidrulicos Misin de un fluido en
oleohidrulica
1. Transmitir potencia
2. Lubricar
3. Minimizar fugas
4. Minimizar prdidas de carga
5.6. Fluidos empleados
Aceites minerales procedentes de la
destilacin del petrleo
Agua glicol
Fluidos sintticos
Emulsiones agua aceite
6. Bombas y sus tipos
Las bombas hidrulicas son los
elementos encargados de impulsar el
aceite o lquido hidrulico, transformando
la energa mecnica rotatoria en energa
hidrulica. El proceso de transformacin
de energa se efecta en dos etapas:
aspiracin y descarga. Aspiracin Al
comunicarse energa mecnica a la
bomba, sta comienza a girar y con esto
se genera una disminucin de la presin
en la entrada de la bomba, como el
depsito de aceite se encuentra sometido
a presin atmosfrica, se genera
entonces una diferencia de presiones lo
que provoca la succin y con ello el
impulso del aceite hacia la entrada de la
bomba. Descarga al entrar aceite, la
bomba lo toma y lo traslada hasta la
salida y se asegura por la forma
constructiva que el fluido no retroceda.
Dado esto, el fluido no encontrar ms
alternativa que ingresar al sistema que es
donde se encuentra espacio disponible,
consiguindose as la descarga.
Cilindrada Se refiere al volumen de
aceite que la bomba puede entregar en
cada revolucin
Dnde: D=Dimetro mayor del engranaje
d=Dimetro menor del engranaje l=
Ancho del engranaje Unidades:cm3/rev
Caudal Terico Es el caudal que de
acuerdo al diseo, debiera entregar la
bomba (caudal Ideal)
-
C= Cilindrada (cm3/rev) N= Rpm (1/rev)
Rendimiento Volumtrico
6.1. Bombas de desplazamiento
positivo
Gracias al movimiento cclico constante
de su parte mvil, una bomba de
desplazamiento positivo es capaz de
entregar un caudal constante de lquido y
soportar (dentro de sus lmites) cualquier
presin que se requiera. En otras
palabras, una bomba de desplazamiento
positivo genera caudal, pero a alta
presin. Una bomba de desplazamiento
positivo consiste bsicamente de una
parte mvil alojada dentro de una
carcasa. La bomba mostrada en la figura
tiene un mbolo como parte mvil. El eje
del mbolo est conectado a una
mquina de potencia motriz capaz de
producir un movimiento alternativo
constante del mbolo. El puerto de
entrada est conectado al depsito, en
los puertos de entrada y salida, una bola
permite que el lquido fluya en un solo
sentido a travs de la carcasa.
Figura 6 Bombas de desplazamiento positivo
Estas bombas las constituyen las del tipo
oleohidrulico, es decir, bombas que
adems de generar el caudal, lo
desplazan al sistema obligndolo a
trabajar, este fenmeno se mantiene an
a elevadas presiones de funcionamiento.
Las bombas pueden clasificarse adems
dependiendo de la forma en que se
desplaza la parte mvil de stas; si el
desplazamiento es rectilneo y alternado,
entonces se llamarn oscilantes, y si el
elemento mvil gira se llamarn rotativas
6.2. Bomba de engranajes de dientes
externos
A consecuencia del movimiento de
rotacin que el motor le provoca al eje
motriz, ste arrastra al engranaje
respectivo el que a su vez provoca el giro
del engranaje conducido (segundo
engranaje). Los engranajes son iguales
en dimensiones y tienen sentido de giro
inverso. Con el movimiento de los
engranajes, en la entrada de la bomba se
originan presiones negativas; como el
-
aceite que se encuentra en el depsito
est a presin atmosfrica, se produce
una diferencia de presin, la que permite
el traslado de fluido desde el depsito
hacia la entrada de la bomba
(movimiento del fluido). As los
engranajes comienzan a tomar aceite
entre los dientes y a trasladarlo hacia la
salida o zona de descarga. Por efecto del
hermetismo de algunas zonas, el aceite
queda impedido de retroceder y es
obligado a circular en el sistema
Figura 7 Bomba de engranajes externos
6.3. Bomba de engranajes de dientes
internos
Esta bomba la constituyen elementos
como, engranajes de dientes externos
(motriz), engranajes de dientes internos
(conducido) y una placa en forma de
media luna.
Existe una zona donde los dientes
engranan completamente en la cual no
es posible alojar aceite entre los dientes.
Figura 8 Bomba de engranajes internos
Al estar los engranajes ubicados
excntricamente comienzan a separarse
generando un aumento del espacio con
lo cual se provoca una disminucin de
presin lo que asegura la aspiracin de
fluido. Logrado esto, el aceite es
trasladado hacia la salida, la accin de la
placa con forma de media luna y el
engrane total, impiden el retrocesos del
aceite.
6.4. Bomba de lbulo
Figura 9 Bomba de lbulo
-
Esta bomba funciona siguiendo el
principio de la bomba de engranajes de
dientes externos, es decir, ambos
elementos giran en sentidos opuestos,
con lo que se logra aumentar el volumen
y disminuir la presin y por ello conseguir
la aspiracin del fluido. Por la forma
constructiva de los engranajes el caudal
desplazado puede ser mayor. Se genera
una sola zona de presin, por lo cual esta
bomba constituye una del tipo
desequilibrada, y al no podrsele variar la
cilindrada, se dice entonces que la
bomba es de caudal constante.
6.5. Bomba de paletas desequilibradas
Figura 10 Bomba de paletas
Al girar el rotor dentro del anillo
volumtrico y ubicado en forma
excntrica a ste, se genera por lo tanto
una cierta diferencia que permite en
algunos casos controlar la cilindrada.
Gracias a la excentricidad se genera una
zona que hace las veces de cierre
hermtico que impide que el aceite
retroceda. A partir de esta zona y
producto de la fuerza centrfuga, las
paletas salen de las ranuras del rotor,
ajustndose a la superficie interna del
anillo, as entre cada par de paletas se
crean cmaras que hacen aumentar el
volumen y disminuir la presin, con lo
que es posible asegurar el continuo
suministro de aceite. El aceite es tomado
en estas cmaras y trasladado a la zona
de descarga. Al tener la bomba una sola
zona de alta presin se originan fuerzas
que no son compensadas, lo que indica
que la bomba se trata de una bomba
desequilibrada
6.6. Bomba de paletas equilibradas
Figura11 Bomba de paletas equilibradas
Se distingue en este tipo de bomba las
siguientes situaciones:
Anillo volumtrico
El rotor y el anillo estn ubicados
concntricamente
Posee dos zonas de aspiracin y dos de
descarga, por lo tanto la aspiracin
y descarga se realiza dos veces en cada
revolucin
Su caudal es fijo
Las fuerzas resultantes se anulan, por lo
tanto la bomba es equilibrado
-
6.7. Bombas de Pistones
Figura 12 Esquema de pistn
Dnde: n = nmero de cilindros Si
podemos actuar sobre la carrera del
pistn podremos variar la cilindrada y
como consecuencia, variar el caudal
Definicin Estas bombas se emplean en
gran cantidad dada la gran capacidad de
otorgar trabajo y caudal con altos niveles
de presiones. Existen dos tipos, y su
diferencia est dada por la posicin de
los mbolos o pistones: Bomba de
pistones axiales, Bomba de pistones
radiales
6.8. Bomba de pistones axiales
Figura 13 Bomba de pistones axiales
Al girar el eje, comunica un movimiento
circular al bloque de cilindros. Este
movimiento en conjunto con la inclinacin
de la placa, determina que el pistn
desarrolle internamente en el cilindro un
movimiento alternativo que permite el
desarrollo de los procesos de aspiracin
y descarga.
En la primera parte del proceso, los
pistones se retraen provocando un
aumento de volumen y una disminucin
de la presin con lo que se genera la
aspiracin. En la segunda etapa, los
pistones comienzan a entrar y con esto
se disminuye el volumen y como
consecuencia se produce la descarga. Si
fuera posible variar la inclinacin de la
placa, la bomba ser de caudal variable
6.9. Bomba de pistones radiales
Figura14 Bomba de pistones radiales
El mecanismo de bombeo de la bomba
de pistones radiales consiste en un barril
de cilindros, pistones, un anillo y una
vlvula de bloqueo. Este mecanismo es
muy similar al de una bomba de paletas,
slo que en vez de usar paletas
deslizantes se usan pistones. El barril de
cilindros que aloja los pistones est
-
excntrico al anillo. Conforme el barril de
cilindros gira, se forma un volumen
creciente dentro del barril durante la
mitad de la revolucin, en la otra mitad,
se forma un volumen decreciente. El
fluido entra y sale de la bomba a travs
de la vlvula de bloqueo que est en el
centro de la bomba.
7. Acumuladores
Los fluidos usados en los sistemas
hidrulicos no pueden ser comprimidos
como los gases y as almacenarse para
ser usados en diferentes lugares o a
tiempos distintos. Un acumulador
consiste en un depsito destinado a
almacenar una cantidad de fluido
incompresible y conservarlo a una cierta
presin mediante una fuerza externa. El
fluido hidrulico bajo presin entra a las
cmaras del acumulador y hace una de
estas tres funciones: comprime un
resorte, comprime un gas o levanta un
peso, y posteriormente cualquier cada
de presin en el sistema provoca que el
elemento reaccione y fuerce al fluido
hacia fuera otra vez. Los acumuladores,
en los cilindros hidrulicos se pueden
Antigolpe de ariete
Antipulsaciones
Compensador de fugas
Fuerza auxiliar de emergencias
Amortiguador de vibraciones
Transmisor de energa de un fluido a
otro
7.1. Acumulador de contrapeso
Figura 15 Esquema de acumulador de contrapeso
El acumulador cargado por peso, ejerce
una fuerza sobre el lquido almacenado,
por medio de grandes pesos que actan
sobre el pistn o mbolo. Los pesos
pueden fabricarse de cualquier material
pesado, como hierro, concreto e incluso
agua. Generalmente los acumuladores
cargados por peso son de gran tamao;
en algunos casos su capacidad es de
varios cientos de litros. Pueden prestar
servicio a varios sistemas hidrulicos al
mismo tiempo y usualmente son
utilizados en fbricas y sistemas
hidrulicos centrales. Su capacidad para
almacenar fluidos a presin relativamente
constante, tanto si se encuentran llenos
como casi vacos, representa una ventaja
con respecto a otros tipos de
acumuladores que no poseen esta
caracterstica. La fuerza aplicada por el
peso sobre el lquido es siempre la
misma independiente de la cantidad de
-
fluido contenido en el acumulador. Una
circunstancia desventajosa de los
acumuladores cargados por peso es que
generan sobrepresiones. Cuando se
encuentran descargando con rapidez y
se detienen repentinamente, la inercia del
peso podra ocasionar variaciones de
presin excesivas en el sistema. Esto
puede producir fugas en las tuberas y
accesorios, adems de causar la fatiga
del metal, lo cual acorta la vida til de los
componentes
7.2. Acumulador cargado por muelle
Figura 16 Esquema de acumulador cargado por muelle
En los acumuladores cargados por
resorte, la fuerza se aplica al lquido
almacenado por medio de un pistn
sobre el cual acta un resorte. Suelen ser
ms pequeos que los cargados por
peso y su capacidad es de slo algunos
litros. Usualmente dan servicio a
sistemas hidrulicos individuales y
operan a baja presin en la mayora de
los casos.
Mientras el lquido se bombea al interior
del acumulador, la presin del fluido
almacenado se determina por la
compresin del resorte. Si el pistn se
moviese hacia arriba y comprimiera diez
pulgadas al resorte, la presin
almacenada sera mayor que en el caso
de un resorte comprimido tan slo cuatro
pulgadas. A pesar de los sellos del
pistn, cierta cantidad de fluido
almacenado podra infiltrarse al interior
de la cmara del resorte del acumulador.
Para evitar la acumulacin de fluido, un
orificio de respiracin practicado en la
cmara permitir la descarga del fluido
cuando sea necesario.
7.3. Acumulador de Pistn
Figura 17 Esquema de acumulador de pistn
Un acumulador de tipo pistn consiste en
un cuerpo cilndrico y un pistn mvil con
sellos elsticos. El gas ocupa el volumen
por encima del pistn y se comprime
cuando el fluido entra al interior del
cuerpo cilndrico. Al salir el fluido del
acumulador la presin del gas desciende.
Una vez que todo el lquido ha sido
descargado, el pistn alcanza el final de
su carrera y cubre la salida manteniendo
el gas dentro del acumulador.
-
En qu consiste un tanque hidrulico En
un sistema hidrulico industrial, en donde
no hay problemas de espacio y puede
considerarse la obtencin de un buen
diseo, los tanques hidrulicos consisten
de cuatro paredes (normalmente de
acero), un fondo con desnivel, una tapa
plana con una placa para montaje, cuatro
patas, lneas de succin, retorno y
drenaje; tapn de drenaje, indicador de
nivel de aceite; tapn para llenado y
respiracin; una cubierta de registro para
limpieza y un tabique separador o placa
deflectora. Adems de funcionar como un
contenedor de fluido, un tanque tambin
sirve para enfriar el fluido, permitir
asentarse a los contaminantes y el
escape del aire retenido. Aspiracin
Retorno Tapa limpieza Cmara de
aspiracin Cmara de retorno Tabique
separador
Cuando el fluido regresa al tanque, una
placa deflectora bloquea el fluido de
retorno para impedir su llegada
directamente a la lnea de succin. As se
produce una zona tranquila, la cual
permite sedimentarse a las partculas
grandes de suciedad, que el aire alcance
la superficie del fluido y da oportunidad
de que el calor se disipe hacia las
paredes del tanque. La desviacin del
fluido es un aspecto muy importante en la
adecuada operacin del tanque. Por esta
razn, todas las lneas que regresan
fluido al tanque deben colocarse por
debajo del nivel del fluido y en el lado de
la placa deflectora opuesto al de la lnea
de succin.
8. Velocidades y transmisin de
fuerzas
Los cilindros hidrulicos de movimiento lineal son utilizados
comnmente en aplicaciones en donde la fuerza de empuje del pistn y
su desplazamiento son elevados. Los cilindros hidrulicos de
movimiento giratorio pueden ser de pistn-cremallera-pin y de dos
pistones con dos cremalleras en los que el movimiento lineal del
pistn es transformado en un movimiento giratorio mediante un
conjunto de pin y cremallera y el cilindro de aletas giratorias de
doble efecto para ngulos entre 0 y 270.
-
Otras frmulas:
Fuerzas de extensin y retraccin. Siendo: P= Presin de operacin
D= Dimetro interior del cilindro [mm] d= Dimetro del vstago del
pistn [mm] 0.9= Coeficiente de rozamiento de rodamientos, juntas y
partes mviles del cilindro. Caudal de fluido hidrulico:
Velocidad efectiva del fluido hidrulico dentro de una tubera de
dimetro interior d.
9. BIBLIOGRAFA
STREETER U.L. & WYLIE E.B. (1979) Mecnica de los fluidos,
775 pp. Mac Graw-Hill Interamericana (impreso en Mxico).
Principio de hidrulica y neumtica, disponible en
http://www.juntadeandalucia.es/averroes/~
-
23005153/d_tecnologia/LIBRO/pdf/hidrapri.pdf, revisado en
diciembre del 2013
POMEDA, JUAN Circuitos hidrulicos, disponible en:
http://roble.pntic.mec.es/jpoi0000/apuntes-t8.pdf, revisado
diciembre de 2013
BECERRIL E. (1960) Hidromecnica, 667 pp., Publicaciones de la
Escuela de Ingenieros, Editorial Dossat S.
Sistemas hidrulicos disponible en:
http://cursos.aiu.edu/Sistemas%20Hidraulicas%20y%20Neumaticos/PDF/Tema%201.pdf,
revisado diciembre de 2013
