HIDRAULICA2003

INTRODUCCION A LA HIDRAULICA

Conceptos de Fsicas

Fuerza = Es la causa que produce un cambio de direccin velocidad

Presin = Es la fuerza ejercida en un rea determinada

Trabajo = Es la fuerza necesaria para desplazar un elemento en una distancia determinada

Flujo = Es el movimiento del liquido

Caudal = Es volumen desplazado en una unidad de tiempo

Area = Es la superficie largo X ancho

Volumen = Una rea por una altura

El empleo de los mandos hidrulicos se generaliza sobre toda las ramasde la Industria, esta nos permite llevar energa por diferentes circuitos conla perdida mnima, en lugares remotos de difcil acceso Una definicin de hidrulica es: EL USO DE LOS LIQUIDOS PARAREALIZAR UN TRABAJO En el caso de Caterpillar en los equipos de movimiento de tierra

FORMA BASICA DE UN SISTEMA HIDRAULICO

La figura muestra un esquema de un sistema hidrulico bsico

Actuamos con una fuerza sobre l embolo de una bomba simple. La fuerzadividida por la superficie nos da la presin ( P= F/A) Cuando ms se empuje l embolo, es decir cuando mayor es la fuerza,mas crecer la presin, que acta sobre la superficie, y puede levantar lacarga ( F= P x A) Si la carga pertenece constante, la presin no aumentara mas, la presinse acomoda siempre a la resistencia que se opone al flujoDel liquido.

La carga puede ser movida solo si se logra alcanzar la presin requerida.La velocidad con que se mueve la carga depende solo del caudal que sesuministra al cilindro. En la figura ello implica que cuando ms rpido esdesplazado l embolo hacia abajo mayor es el caudal mayor es el caudalque llega al cilindro mayor es la velocidad En la practica, sin embargo este sistema tiene que ser completadoCon elementos adicionales. Es necesario introducir dispositivos queinfluyen por ejemplo en el sentido de desplazamiento del cilindro, lavelocidad y la presin que puede soportar el sistema. PRINCIPIOS DE LA ENERGIA HIDRAULICA

Para un estudio detallado sobre el movimiento de los fluidos a presin entubera, seria necesario un tratamiento detenido y profundo. El presentetrabajo tan solo pretende ayudar a comprender el funcionamiento de loscircuitos oleodinamicos limitndose a recordar algunos fundamentos

MAGNITUDES FUNDAMANTALES Definiciones y reducciones del sistema internacional de Unidades ISOUna masa (en sentido de cantidad de materia) de 1 Kg. produce en latierra una fuerza de 1 Kg.Segn la Ley de Newton: F= M x a Fuerza = Masa x Aceleracion Kg. m/ S 2Segn el sistema antiguo se utilizaba la aceleracion de gravedad como aaceleracion

F= m x g 1kp = 1 Kg. x 9,81 m/s2 = 9,81 Kg. x m/ s2

segn el sistema SI, se expresa la fuerza en Newton (N)

1N = 1Kg x 1m / s2 = 1 Kg. X m/ s2 entonces es: 1Kp = 9,81 N

HIDROESTATICA

PRESION HIDROESTATICA

Una columna de liquido ejerce, por su propio peso,Una presin sobre una superficie en que acta. La presin es funcin dela columna en funcin de la altura de la columna (h), de la densidad (&) yde la aceleracion de gravedad (g) Presin = h x & x g

Si se toman recipientes de formas distintas y llenados con el mismoliquido, la presin ser funcin solamente de la altura

P1 = P2 =P3, A1=A2 =A3 LA FUERZA RESULTANTE

F1= F2= F3PRESION POR FUERZAS EXTERNAS (LEY DE PASCAL)

Acta una fuerza externa F sobre una superficie A, se produce en lliquido una presinLa presin es funcin de la magnitud de la fuerza perpendicular alasuperficie P= F/A LA PRESION SE DISTRIBUYE UNIFORMEMENTE EN TODOS LOSSENTIDOS ES IGUAL EN TODOS LADOS

Esto ocurre despreciando la presin del peso del liquido que debe seradicionado en funsion de la alturaEsta presin, en relacin a las presiones con que se trabajan en lahidrulica, se puede despreciar; por ejemplo:

10m de columna de agua =1 bar

TRANSMISION HIDRAULICA DE FUERZA

Dado que la presin se distribuye uniformemente en l liquido, la forma delrecipiente no tiene ninguna influencia.Para poder analizar la presin resultante por la accin de una fuerzaexterna tomamos como ejemplo el sistema mostrado en la figura

Si actuamos con la fuerza F1 sobre la superficie A1 producimos la presin:

P= F1/A1

La presin P acta uniformemente en todo l liquido, es decir, tambinsobre la superficie A2. La fuerza se puede obtener ( compatible con unacarga a levantar) es:F2 = P x A2Entonces F1 / A1 = F2/A2 F2/F1 = A2/A1

Las fuerzas son directamente proporcionales alas superficies.

En estos sistemas la presin esta siempre en relacin con la cargaactuante y la superficie solicitada. Esto, equivale a decir que la presinaumenta hasta vencer a la carga que se opone. La carga puede serlevantada solo si la presin producida por la fuerza F1 y la superficie A1 eslo suficientemente alta ( los rozamientos no se tienen en cuenta) Los espacios S1 y S2 recorriendo por los mbolos estn en relacininversa a sus superficies:

S1/ S2 = A2/ A1

El trabajo del embolo 1 es igual al trabajo del embolo 2

W1= F1 x S1 W2 = F2 x S2

PRINCIPIO DE LA TRANSMISION DE PRESION

Dos mbolos de distinto tamao estn unidos por una barra. Si sobre lasuperficie A1 actua la presion P1, se obtiene en l embolo grande lafuerza F1.esta se transmite ala barra al embolo pequeo y acta sobre lasuperficie A2 produciendo una presin P2

Sin tener encuenta el razonamiento:

F1= F2 = F

P1 x A1 = P2 x A2

Entonces P1 x A1 = F1 P2 x A2 = F2

P1 / P2 = A2 / A1

En conclusin la presin es inversamente proporcional a la superficie

HIDRODINAMICA

Ecuacin del flujo

Si un liquido fluye por un tubo de seccin variable, el volumen que pasapor unidad de tiempo es el mismo, independiente de la seccin

La velocidad del flujo varia

Caudal Q = V/ t

Q = caudalV = volumen

T = tiempoA = superficieS = espacio

V = A x S Reemplazando Q = A x S / tEl espacio S en el tiempo es = velocidad v = S/t

Obtenemos Q = A x v

Ecuacin de continuidad

A1 x v1 A2 x v2 Q1 = Q2

Ecuacin de la energa de Bernoulli

Esta ecuacin nos dice que en un flujo la energa permanece constantesiempre que no haya intercambio con el exterior

La energa total esta compuesta por:

Energa potencial = energa de posicin en funcin de la altura de lacolumna del fluido. Energa de presin ( presin esttica) al energa Cinemtica =energa del movimiento en funcin de la velocidaddel flujo Presin dinmica

Ecuacin de Bernoulli

g x h + P/ & + v2 / 2 = cte.

la relacin a la energa de presin es:

Pt = Pst + & + g x h + &/ 2 x v2

Pt = presin totalPst = presin esttica& x g x h = presin de la columna del fluido&/2 x v2 = presin dinmica

Observando la ecuacin de continuidad y energa podemos deducir:

Cuando disminuye la seccin del pasaje aumenta la velocidad y por lotanto le energa cintica tambin aumenta

Dado que la energa total permanece constante es necesario que reduzcanla energa de posicin energa de presin o ambas

La energa de posicin varia en forma despreciable en estos casos.

Por lo tanto, tiene que variar la presin esttica; varia en funcin de lapresin dinmica y esta es a la vez funcin de la velocidad

En una instalacin hidrulica es importante la energa de presin ( presinesttica). la energa de posicin y la energa cintica son muy pequeas yse desprecian

Perdida de energa por friccinEstando l liquido en reposo, las presiones son iguales antes, durante ydespus de una estrangulacin; son iguales a lo largo de toda la tuberaSi un liquido fluye en un sistema en un sistema se produce calor por lafriccin y se pierde energa en forma de energa trmica; significando elloperdida de presin (figura anterior)La energa hidrulica no se puede trasmitir sin perdidas. Las perdidas porfriccin dependen de

Longitud de la tuberaRugosidad de la tuberaCantidad de codos y curvasSeccin de la tuberaVelocidad del flujo

Tipos de flujos Los flujos laminaresEn el flujo laminar las partculas del liquido de mueven formando capasque se deslizan ordenadamente hasta una cierta velocidad No hayinterferencia entre las partculas ni tampoco se influyen en el movimiento

Flujo turbulentoSi aumenta la velocidad y la seccin del pasaje no varia, cambia la formadel flujo. Se hace turbulento y arremolinado y las partculas no se deslizanordenadamente en un sentido sino que se interfieren e influyen en sumovimiento. La velocidad a la que el flujo se desordena se llamavelocidad critica

Numero de Reynold

El tipo de flujo puede ser determinado con el numero de Reynold

Re = v x Dh / V adimencional

V = velocidadDh = dimetro interior de la tubera Dh = 4x A/U A= rea U = Permetro

V = viscosidad cinemtica ( m2 / S)

Re critico = 2300

Este valor es valido para tubos redondos rectos y lisos

Con l numero de Reynold critico, el flujo cambia de laminar a turbulento oviceversa

Re menor que Re critico flujo laminar

Re mayo que Re critico flujo turbulento

PRESION DE ALIVIO Cuando un cilindro hidrulico lo para una carga excesiva o cuandoalcanza el final de carrera, la presin del circuito puede aumentar

momentneamente antes que la vlvula de alivio comience a liberar la altapresin Como resultado es un aumento exagerado de la presin en el sistema estosuperior a la presin de ajuste de la vlvula de alivio Esta s La Presin de Oleaje

Esta presin de oleaje produce generacin de cavitacin y aumento detemperatura

CausasEl paro abrupto de la vlvula de controlMovimientos bruscos de las vlvulas de control

Componentes de los circuitos Hidrulicos

Estanque = Almacena l liquida, disipa calor pueden ser Abiertos, o presurizados

Conductos = Lneas que transportan l liquido pueden ser flexibles o rgidas

Bomba = Permite colocar en movimiento l liquido transforman la energa mecnica en energa hidrulica pueden ser, paleta, pistones, engranaje, centrifugas

Vlvulas = Controlan la direccin del flujo, la presin y caudales

Accionadores = Permiten realizar el trabajo transforman la energahidrulica en energa mecnica, motores, cilindros

Estanque

Partes principales de un estanque

1. - Rejilla de llenado, 2. - Filtro de Retorno 3. - Mirilla, 4. - Salida Bomba 5. - TapnMagntico 6. - Retormo 7. - Deflector 8. - Vlvula de Alivio 9. - Respiradero1. - Rejilla de Llenado =---------------------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------------------

2. - Filtro de retorno =---------------------------------------------------------------------------------- ---------------------------------------------------------------------------------

3. - Mirilla = --------------------------------------------------------------------------------- --------------------------------------------------------------------------------

4. - Salida a la Bomba =---------------------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------------------

5. - Tapn magntico =---------------------------------------------------------------------------------- -----------------------------------------------------------------------------------

6. - Retorno =--------------------------------------------------------------------------------- --------------------------------------------------------------------------------

7. - Deflector =--------------------------------------------------------------------------------- -----------------------------------------------------------------------------------

8. - Vlvula de Alivio =---------------------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------------------

9. -Respiradero =--------------------------------------------------------------------------------- --------------------------------------------------------------------------------

CONDUCTOS

Los conductos son los encargados de trasnportar los lquidos de un lugar aotro, pueden ser rgidos como caeras y flexibles como las mangueras;estas ultimas tienen diferentes materiales dependiendo del tipo de liquido ypresiones que deben soportar

Mangueras

Nomenclatura capa interior

Refuerzos capa amortiguadora Caera

Bombas

Existen diferentes tipos de bombas

Bomba de engranaje, Caractersticas Estas bombas son

desplazamiento fijo y positivo

CAERIAS de bajo costo, aceptan impurezas son

Bombas de Paletas Caractersticas estas bombas son de baja contaminacin acstica, S auto ajustan por desgaste no aceptan grandes presiones, desplazamiento fijo y positivo

Bombas de Pistones Caractersticas Estas bombas no aceptan impurezas, son de altas Presiones, son desplazamiento positivo, de caudal fijo o variable

Bombas Centrifugas Caractersticas estas bombas son de bajas presiones, desplazamiento no positiva

ACUMULADORES

Existen tres tipos de acumuladores, cargado por resortes peso y gas

Resorte Gas Peso

Vlvulas

Las vlvulas se identifican en tres categoras, en reguladoras depresin, direcciones, y reguladoras de flujo

Vlvula de alivio principal Son vlvulas que limitan la presin mxima en un sistemaestas pueden ser piloteadas o no

Vlvula de alivio de lnea Son semejantes a las vlvulas de alivio principal pero sonpor lo general ajustadas aun valor mayor que la de alivio principalpermitiendo que se abran por golpes externos, cuando la vlvuladirecciones se mantiene cerrada En ocasiones tambin las encontraremos ajustadas a menorpresin y se encuentran en determinados sistemas dondeprotegeremos los implemento

Vlvula de alivio moduladaEsta vlvula permite un aumento de presin gradual a travs deltiempo dado por el orificio restrictor se usan en el controlhidrulico de algunas transmisiones

Vlvula reductora Son vlvulas que reducen la presin para determinadossistemas, reducen la presin despus de la vlvula

Vlvula diferencial Es una vlvula que mantiene una diferencia de presin entreun circuito y otro el valor de la diferencia de presin depende dela tensin del resorte

Vlvulas de carrete Las vlvulas de carrete permiten direccional el caudal a distintoscircuitos, son cilindros de diferentes dimetros mecanizados enun eje,

estos pueden tener muescasun mejor control sobre el imp

Las ranuras de regulacin pgradual y no en forma abrupt longitudinales que le permiten tenerlemento

ermiten el paso del flujo en formaa, sin impacto

Ranuras de regulacin

Las ranuras en el manto del cilindro permiten mantener lalubricacin y centra los carretes

Vlvula unidireccional (check) Son vlvulas que permiten el flujo en un solo sentido

Ranuras en el manto del cilindro

Vlvula Doble check Es una vlvula que permite flujo de dos circuito y aquel circuitoque se encuentra con mayor presin se dirige al sistema principal

Vlvul Esta vcompoorificioa reguladora de flujolvula permite regular el caudal en dos circuito, esta se

ne de un orificio restrictor y una vlvula de descarga, el regula el caudal

0rificio

Vlvulas en paraleloEn este tipo de vlvulas se disponen en paralelo y todos loscarretes pueden operara independientemente a estaconfiguracin se llama en paralelo

Vlvulas en serie En este sistema los implementos no se podrn mover todos almismo tiempo uno tendr dominio sobre el otro

Grfica de sistemas en serie y paralelo

SISTEMA ISO HIDRAULICO

La representacin ISO (Organizacin s Estndar Internacional)permite internacionalizar la representacin de vlvulas ycomponentes de sistema Ole- hidraulico, y de aire que son muysemejantes Los smbolos grficas pueden ser usados Uso de un lenguaje comn Explicar el funcionamiento y operacin Localizacin de problemas y servicioLos smbolos grficos no indican Posicin de actuador Localizacin de las lumbreras Cambio de posicin de las vlvulas

MOMENCLATURA DE LOS COLORES

ConductosCaeras, tuberas y mangueras

Uniones y cruces de onductos

Smbolos Bsicos

Smbolos auxiliaras

Smbolos de controles manuales

Controles hidrulicos

Acondicionadores de fluido

Cilindros

Bombas

Motores

Vlvulas

Vlvulas de alivio

Vlvula reductora

Vlvula diferencial

Vlvula unidireccinal

La vlvula compensadora es igual a una unidireccional con ladiferencia que tiene un resorte de baja tensin (2 Psi aprox.)Y un rea expuesta en la parte de retorno, permite que el aceitede retorno suministre por una falta de aceite, ( efecto jeringa;nombre en ingles makeup)

Vlvula alivio de lneaLa vlvula de alivio de lnea es una combinacin entre unavlvula de alivio y una compensadora

Vlvula lgica Cohete

Sistema de carga sentida y Presin compensada

Carga sentida Definicin (L.S.)

ES UN SISTEMA DE CONTROL DONDE LA PRESIN A LASALIDA DE LA BOMBA SE MANTIENE SOBRE LA PRESINREQUERIDA Y DETERMINADA POR LA CARGA

Sistema de presin compensada Definicin (P.C.)

ES UN SISTEMA DE CONTROL EN EL CUAL MANTIENE UNAVELOCIDAD DEL IMPLEMENTO EN UNA VELOCIDADCONSTANTE PARA UNA POSICIN DE LA PALANCA

Estos dos sistemas de control pueden ser aplicados en conjuntocomo separados

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2003INTRODUCCION A LA HIDRAULICAConceptos de FsicasFuerza = Es la causa que produce un cambio deFORMA BASICA DE UN SISTEMA HIDRAULICO

La figura muestra un esquema de un sistema hidrPRINCIPIOS DE LA ENERGIA HIDRAULICATRANSMISION HIDRAULICA DE FUERZAPRINCIPIO DE LA TRANSMISION DE PRESIONHIDRODINAMICAEcuacin del flujoEcuacin de continuidadEcuacin de BernoulliNumero de ReynoldMovimientos bruscos de las vlvulas de control

Componentes de los circuitos HidrulicosEstanque

Partes principales de un estanqueCONDUCTOS