MÓDULO E-11SISTEMAS HIDRÁULICOS Y

NEUMÁTICOS Total : 160 horas.

Semanal : 4 horas

ALUMNO:___________________________________________

Nº de Lista : ___________

CURSO : 4º año C

PROFESOR : Luis H. Saavedra Rojas.

TALCA - 2009

CENTRO EDUCATIVO SALESIANOS TALCASEDE SUR: 2 SUR 1147 – FONOS (71) 615416 - FAX (71) 615411

SEDE NORTE: 11 ORIENTE 1751 – FONO (71) 615454 – FAX (71) 615441TALCA – VII REGIÓN

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INTRODUCCIÓN

Este módulo está asociado al área de competencia “Operar y mantener dispositivos,

máquinas y equipos eléctricos”. Es de carácter complementario y para su desarrollo se

sugiere 160 horas.

En el presente módulo el alumno:

Interpreta y diseña circuitos de controles neumáticos e hidráulicos para máquinas o

sistemas.

Conecta y ejecuta circuitos de automatización neumáticos e hidráulicos.

Aplica sistemas neumáticos e hidráulicos en la solución de problemas de auto-

matización.

Modifica, repara y documenta circuitos neumáticos e hidráulicos.

Resuelve problemas prácticos, basados en el uso de dispositivos neumáticos e

hidráulicos utilizados para la automatización de máquinas o sistemas.

El desarrollo del presente módulo complementario es recomendable, ya que en la

actualidad este tipo de circuitos de automatización es ampliamente utilizado en el nivel

productivo, en asociación a sistemas eléctricos y/o electrónicos para máquinas o

sistemas.

Respecto de la relación con otros sectores de la Formación General, el módulo

presenta

la oportunidad de reforzar y complementar, en un contexto de aplicación, los siguientes

aprendizajes:

Física:

Movimiento, fenómenos de transformación de energía, parámetros físicos con sus

correspondientes unidades y formas de medición además de lo relacionado con el

comportamiento de los fluidos.

Lenguaje y Comunicación:

Lectura comprensiva de instrucciones, elaboración de informes y conclusiones

a partir de observaciones.

Idioma extranjero (Inglés):

Traducción e interpretación de manuales y catálogos.

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APRENDIZAJES ESPERADOS

1. Diseña y ejecuta en forma práctica circuitos neumáticos básicos para máquinas osistemas.

2. Diseña y ejecuta en forma práctica circuitos hidráulicos básicos para máquinas osistemas.

3. Diagnostica problemas de funcionamiento y ejecuta acciones de mantenimientocorrectivo en dispositivos neumáticos e hidráulicos.

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MATERIAL DE CONSULTA

UBICACIÓN EN BIBLIOTECA SECCIÓN 600TECNOLOGÍAS APLICADAS AUTOR AÑO

MANUAL DE MECÁNICA INDUSTRIAL TOMO IIEDITORIAL CULTURAL S.A.

K. ROBLESRODRIGUEZ 1999

INTRODUCCIÓN A LA NEUMÁTICAEDITORIAL MARCOMBO S.A.

ANTONIO GUILLÉNSALVADOR 1993

NEUMÁTICA, HIDRÁULICA Y ELECTRICIDAD APLICADAEDITORIAL PARANINFO

JOSÉ ROLDÁNVILORIA 1993

APLICACIONES INDUSTRIALES DE LA NEUMÁTICAEDITORIAL MARCOMBO S.A.

ANTONIO GUILLÉNS. 1998

AUTOMATIZACIÓN NEUMÁTICA EN LA INDUSTRIAEDITORIAL SMC

JORGE DANIELBRONZINI 1990

TECNOLOGÍA INDUSTRIAL IIEDITORIAL EDEBE VARIOS 1999

HIDRÁULICAEDITORIAL FESTO DIDACTIC A ZIMMERMANN 1998

ELEMENTOS NECESARIOS DE CARGO DEL ALUMNO

MATERIALES FECHA DEREQUERIMIENTO

Cuaderno de 60 Hojas cuadriculado grandeLápiz grafito o Portaminas HB y goma de borrarLápiz de Pasta, azul, rojo y negroRegla, escuadra o cartabón de 20 cm

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INDICE DE CONTENIDOSCONTENIDO PÁGINA

Introducción 1Aprendizajes esperados 2Material de consulta 3Elementos necesarios a cargo del alumno 3Índice 4

1.1. Generalidades de hidráulica y neumática 71.2. Campos de aplicación de la hidráulica y neumática 81.2.1 Aplicaciones móviles 81.2.2 Aplicaciones industriales 81.3. Ventajas y desventajas de la hidráulica y neumática 101.3.1 Ventajas de la neumática 101.3.2 Desventajas de la neumática 111.3.3 Ventajas de la oleohidráulica 111.3.4 Desventajas de la oleohidráulica 111.4. Comparación entre sistemas oleohidraulicos y neumáticos 111.5. Sistema de transmisión de potencia con fluidos a presión 121.6. Descomposición tecnológica de una cadena de mando y

energía 12

1.7. Descomposición tecnológica de una cadena de mando yenergía de un sistema hidráulico 13

1.8. Descomposición tecnológica de una cadena de mando yenergía de un sistema neumático 14

2.2. Principios básicos de hidráulica 152.3. Principios fundamentales de la hidrostática 162.3.1. Cómo se crea la presión 172.3.2. Presión atmosférica. 172.4. Principios fundamentales de la hidrodinámica 182.4.1. Cómo se mide el caudal 192.4.2. El fluido busca un nivel 202.4.3. Régimen laminar y turbulento 202.4.4. Teorema de bernoulli 212.5. Transmisión de potencia hidráulica 232.5.1. Ventajas de la hidráulica 242.5.2. Presión en una columna de fluido 262.5.3. La presión atmosférica carga la bomba 272.5.4. Las bombas de desplazamiento positivo dan caudal 292.5.5. Como se crea la presión 302.5.6. La presión indica la carga de trabajo 302.5.7. La fuerza es proporcional a la presión y a la superficie 312.6. Aceite hidráulico 312.6.1. Objetivos del fluido 322.6.2. Requerimientos de calidad 332.6.3. Propiedades del fluido 333.1. Elementos y accesorios hidráulicos y neumáticos 373.1.1. Bombas de desplazamiento positivo 383.1.2. Bomba de engranajes de dientes externos 39

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3.1.3. Bomba de engranajes de dientes internos 393.1.4. Bomba de lóbulo 403.1.5. Bomba de paletas desequilibradas 403.1.6. Bomba de paletas equilibradas 413.1.7. Bombas de pistones 413.1.8. Bomba de pistones axiales 423.1.9. Bomba de pistones radiales 423.2. Tipos de compresores 433.2.1. Compresor de pistón 443.2.2. Compresor de diafragma (membrana) 443.2.3. Compresor multicelular (aletas) 453.2.4. Compresor de tornillo 453.2.5. Compresor roots 463.2.6. Compresor axial 463.2.7. Compresor radial 473.2.8. Accionamiento del compresor 473.3. Tratamiento de aire 483.3.1. Preparación del aire comprimido 483.3.2. Acumulador 493.3.3. Secado del aire 493.3.4. Secador por enfriamiento 493.3.5. Secado por adsorción 503.3.6. Secado por absorción 513.3.7. Distribución del aire 513.3.8. Materiales de las tuberías 523.3.9. Tipos de redes 523.4. Unidad preparadora de aire (UPA o FRL) 533.4.1. Filtrado del aire comprimido 543.4.2. Regulador de presión 553.4.3. Lubricación del aire a presión 563.5. Acumuladores 573.5.1. Acumulador de contrapeso 583.5.2. Acumulador cargado por muelle 583.5.3. Acumulador de Pistón 593.5.4. Acumulador de gas no separado 593.5.5. Acumulador de Diafragma 603.5.6. Acumulador de vejiga 603.6. Depósito o tanque 613.7. Filtros hidráulicos 623.7.1. Elementos filtrantes 623.8. Válvulas 633.8.1. Válvulas distribuidoras 643.8.2. Representación de las válvulas distribuidoras 693.8.3. Representación esquemática de válvulas 693.8.4. Nomenclatura de las válvulas 703.8.5. Accionamientos de una válvula 713.9. Actuadores neumáticos 723.9.1. Cilindro de simple efecto, retorno por muelle 72

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3.9.2. Cilindro de simple efecto, de membrana 733.9.3. Cilindros de doble efecto 733.9.4. Cilindro de doble efecto con amortiguación 743.9.5. Cilindro tandem 753.9.6. Cilindro de doble efecto doble vástago 753.9.7. Cilindro de impacto 753.9.8. Cilindro multiposicional 763.9.9. Cilindro giratorio 763.9.10. Cilindros sin vástago 773.9.11. Cilindro de cinta 773.9.12 Cilindro con acoplamiento magnético 773.10. Estructura de los cilindros 78

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1. UNIDAD I

1.1. GENERALIDADES DE HIDRAULICA Y NEUMATICA

INTRODUCCIÓN

La automatización en los mecanismos de manufactura, aparece de la relaciónentre las fuerzas económicas y las innovaciones técnicas como la transferencia deenergía, la mecanización de las fábricas, y el desarrollo de las máquinas detransferencia.

La mecanización de los procesos fue el primer paso para evolucionarposteriormente hacia la automatización, lo que traería consigo, el incremento de losniveles de producción (productividad) en las fábricas. Este deseo de aumentar lasproducciones, incentivó el diseño y construcción de máquinas que emulaban losmovimientos y tareas del trabajador, de esta forma entonces, la Revolución Industrialhace surgir la automatización en las grandes industrias textiles.

Conforme avanzaba la tecnología y los métodos de transferencia de energía, lasmáquinas especializadas se motorizaron, lo que acarreó consigo un notable aumentoen la eficiencia de éstas.

La automatización actual, cuenta con dispositivos especializados, conocidoscomo máquinas de transferencia, que permiten tomar las piezas que se estántrabajando y moverlas hacia otra etapa del proceso, colocándolas de manera adecuada.Existen por otro lado los robots industriales, que son poseedores de una habilidadextremadamente fina, utilizándose para trasladar, manipular y situar piezas ligeras ypesadas con gran precisión.

La hidráulica y la neumática son parte de la Mecánica de Fluidos, que seencargan del diseño y mantención de los sistemas hidráulicos y/o neumáticosempleados por la industria en general, con el fin de automatizar los procesosproductivos, crear nuevos elementos o mejorar los ya existentes.

La hidráulica y la neumática son sistemas de transmisión de energía a través deun fluido (aceite, oleohidráulica y aire, neumática).

La palabra “Hidráulica” proviene del griego “hydor” que significa “agua”. Hoy eltérmino hidráulica se emplea para referirse a la transmisión y control de fuerzas ymovimientos por medio de líquidos, es decir, se utilizan los líquidos para la transmisiónde energía, en la mayoría de los casos se trata de aceites minerales pero tambiénpueden emplearse otros fluidos, como líquidos sintéticos, agua o una emulsión agua –aceite.

La palabra “neumática” proviene del griego ”pneuma” que significa aliento osoplo. Aunque el término debe aplicarse en general al estudio del comportamiento delos gases, este término se ha adecuado para comprender casi exclusivamente losfenómenos de aire comprimido o sobre presión (presión por encima de una atmósfera)para producir un trabajo.

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La técnica neumática admite una infinidad de aplicaciones en el campo de laindustria, especialmente en los trabajos de fijación de piezas, bloqueo de órganos,alimentación de máquinas y movimientos lineales que no requieran velocidades deactuación rigurosamente constantes.

No obstante, existe una limitación tecnológica en los esfuerzos admisibles en loselementos de trabajo, no deben superar los 3000 Kgf que puede evitarse en parte conla adición de mecanismos(palancas, engranajes) complementarios

Existen variados sistemas de transmisión de energía para generar y controlar unmovimiento, entre otros se encuentran los sistemas mecánico, que emplean elementostales como engranajes, palancas, transmisiones por correas, cadenas, etc. Sistemaseléctricos que utilizan motores, alternadores, transformadores, conmutadores, etc.,oleohidráulicos donde se usan bombas, motores, cilindros, válvulas, etc., y neumáticoscompresores, actuadores lineales y rotativos, válvulas, etc.

Los sistemas de transmisión de energía oleohidráulicos y neumáticosproporcionan la energía necesaria para controlar una amplia gama de maquinaria yequipamiento industrial. Los sistemas oleohidráulicos funcionan con aceite a presión ylos sistemas neumáticos lo hacen con aire comprimido.

1.2. CAMPOS DE APLICACIÓN DE LA HIDRAÚLICA Y NEUMÁTICA

En la actualidad las aplicaciones de la oleohidráulica y neumática son muyvariadas, esta amplitud en los usos se debe principalmente al diseño y fabricación deelementos de mayor precisión y con materiales de mejor calidad, acompañado ademásde estudios más acabados de las materias y principios que rigen la hidráulica yneumática. Todo lo anterior se ha visto reflejado en equipos que permiten trabajos cadavez con mayor precisión y con mayores niveles de energía, lo que sin duda ha permitidoun creciente desarrollo de la industria en general.

Dentro de las aplicaciones se pueden distinguir dos, móviles e industriales:

1.2.1 Aplicaciones Móviles

El empleo de la energía proporcionada por el aire y aceite a presión, puedeaplicarse para transportar, excavar, levantar, perforar, manipular materiales, controlar eimpulsar vehículos móviles tales como:

Ø TractoresØ GrúasØ RetroexcavadorasØ Camiones recolectores de basuraØ Cargadores frontalesØ Frenos y suspensiones de camionesØ Vehículos para la construcción y mantención de carreterasØ Etc.

1.2.2 Aplicaciones Industriales

En la industria, es de primera importancia contar con maquinaria especializadapara controlar, impulsar, posicionar y mecanizar elementos o materiales propios de la

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línea de producción, para estos efectos se utiliza con regularidad la energíaproporcionada por fluidos comprimidos. Se tiene entre otros:

Ø Maquinaria para la industria plásticaØ Máquinas herramientasØ Maquinaria para la elaboración de alimentosØ Equipamiento para robótica y manipulación automatizadaØ Equipo para montaje industrial

Maquinaria para la mineríaØ Maquinaria para la industria siderúrgicaØ Etc.

Otras aplicaciones se pueden dar en sistemas propios de vehículos automotores,como automóviles, aplicaciones aeroespaciales y aplicaciones navales, por otro lado sepueden tener aplicaciones en el campo de la medicina y en general en todas aquellasáreas en que se requiere movimientos muy controlados y de alta precisión, así se tiene:

Aplicación automotriz: suspensión, frenos, dirección, refrigeración, etc.

Aplicación Aeronáutica: timones, alerones, trenes de aterrizaje, frenos, simuladores,equipos de mantenimiento aeronáutico, etc.

Aplicación Naval: timón, mecanismos de transmisión, sistemas de mandos, sistemasespecializados de embarcaciones o buques militares

Medicina: Instrumental quirúrgico, mesas de operaciones, camas de hospital, sillas einstrumental odontológico, etc.

La hidráulica y neumática tienen aplicaciones tan variadas, que pueden serempleadas incluso en controles escénicos (teatro), cinematografía, parques deentretenciones, represas, puentes levadizos, plataformas de perforación submarina,ascensores, mesas de levante de automóviles, etc.

Algunas Aplicaciones:

Camión recolector de basura Cargador Frontal

Parques de entretenciones Simuladores de vuelo

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1.3. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA HIDRAULICA Y NEUMATICALos sistemas de transmisión de energía oleohidráulicos y neumáticos son una

garantía de seguridad, calidad y fiabilidad a la vez que reducen costos.La Seguridad es de vital importancia en la navegación aérea y espacial, en la

producción y funcionamiento de vehículos, en la minería y en la fabricación deproductos frágiles. Por ejemplo, los sistemas oleohidráulicos y neumáticos se utilizanpara asistir la dirección y el frenado de coches, camiones y autobuses. Los sistemas decontrol oleohidráulico y el tren de aterrizaje son los responsables de la seguridad en eldespegue, aterrizaje y vuelo de aviones y naves espaciales. Los rápidos avancesrealizados por la minería y construcción de túneles son el resultado de la aplicación demodernos sistemas oleohidráulicos y neumáticos.

La Fiabilidad y la Precisión son necesarias en una amplia gama de aplicacionesindustriales en las que los usuarios exigen cada vez más una mayor calidad. Lossistemas oleohidráulicos y neumáticos utilizados en la manipulación, sistemas defijación y robots de soldadura aseguran un rendimiento y una productividad elevados,por ejemplo, en la fabricación de automóviles.

En relación con la industria del plástico, la combinación de la oleohidráulica, laneumática y la electrónica hacen posible que la producción esté completamenteautomatizada, ofreciendo un nivel de calidad constante con un elevado grado deprecisión.

Los sistemas neumáticos juegan un papel clave en aquellos procesos en los quela higiene y la precisión son de suma importancia, como es el caso de las instalacionesde la industria farmacéutica y alimenticia, entre otras.

La Reducción en el costo es un factor vital a la hora de asegurar lacompetitividad de un país industrial.

La tecnología moderna debe ser rentable y la respuesta se encuentra en lossistemas oleohidráulicos y neumáticos. Entre otros ejemplos, cabe citar el usogeneralizado de estos sistemas en la industria de carretillas elevadoras controladashidráulicamente, las máquinas herramientas de alta tecnología, así como los equipos defabricación para procesos de producción automatizada, las modernas excavadoras, lasmáquinas de construcción y obras públicas y la maquinaria agrícola.

Con respecto a la manipulación de materiales y para citar unos ejemplos, lossistemas oleohidráulicos permiten que una sola persona pueda trasladar, fácil yrápidamente, grandes cantidades de arena o de carbón.

1.3.1 Ventajas de la Neumática

Ø El aire es de fácil captación y abunda en la tierraØ El aire no posee propiedades explosivas, por lo que no existen riesgos de

chispas.Ø Los actuadores pueden trabajar a velocidades razonablemente altas y fácilmente

regulablesØ El trabajo con aire no daña los componentes de un circuito por efecto de golpes

de ariete.Ø Las sobrecargas no constituyen situaciones peligrosas o que dañen los equipos

en forma permanente.

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Ø Los cambios de temperatura no afectan en forma significativa.Ø Energía limpiaØ Cambios instantáneos de sentido

1.3.2 Desventajas de la neumática

Ø En circuitos muy extensos se producen pérdidas de cargas considerablesØ Requiere de instalaciones especiales para recuperar el aire previamente

empleadoØ Las presiones a las que trabajan normalmente, no permiten aplicar grandes

fuerzasØ Altos niveles de ruido generados por la descarga del aire hacia la atmósfera

1.3.3 Ventajas de la Oleohidráulica

Ø Permite trabajar con elevados niveles de fuerza o mementos de giroØ El aceite empleado en el sistema es fácilmente recuperableØ Velocidad de actuación fácilmente controlableØ Instalaciones compactasØ Protección simple contra sobrecargasØ Cambios rápidos de sentido

1.3.4 Desventajas de la Oleohidráulica

Ø El fluido es más caroØ Perdidas de cargaØ Personal especializado para la mantenciónØ Fluido muy sensible a la contaminación

1.4. COMPARACION ENTRE SISTEMAS OLEOHIDRAULICOS Y NEUMATICOS

CARACTERISTICAS OLEOHIDRAULICA NEUMATICA

EtimologíaOleo: AceiteHidro: AguaAulos: Tubo

Pneuma: Soplo, Aire

Fluido Aceite a presión Aire comprimidoCaracterísticas del fluido Incompresible CompresiblePrimeras aplic. Industriales Inicios del siglo XX Mediados del siglo XXPresiones 70 a 200 (bar) 4 a 10 (bar)Fuerzas 1 a 100 (ton) 0 a 3 (ton)Velocidades lineales 0 a 6 (m/min) 2 a 90 (m/min)

Campo de aplicación Grandes fuerzas y por logeneral mov. lentos

Pequeñas fuerzas y por logeneral mov. rápidos

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1.5. SISTEMA DE TRANSMISION DE POTENCIA CON FLUIDOS A PRESION

MOTORTERMICO OELECTRICO

SISTEMA DETRANSMISION

OLEOHIDRAULICOO NEUMATICO

HERRAMIENTADE TRABAJO

1.6. DESCOMPOSICION TECNOLOGICA DE UNA CADENA DE MANDO Y ENERGIA

Básicamente, un sistema de transmisión de energía (o potencia), se puedeestructurar en tres zonas:

SALIDA DE ENERGIA

TRATAMIENTO Y REGULACION DE LA ENERGIA

GENERACION DE ENERGIA

Donde:

En la zona de Generación de energía, se encuentran todos aquellos dispositivosrelacionados con la producción de potencia.

En la zona del Tratamiento y Regulación se encuentran los elementos donde seproduce el tratamiento y modificación de parámetros, necesarios para laobtención de las respuestas esperadas.

En la zona de Salida de la energía se encuentran los actuadores u órganos detrabajo, los que transforman la energía tratada por el sistema en un trabajo útil.

Asociando esta estructura a un sistema de transmisión de potencia fluida,particularmente en los sistemas oleohidráulico y neumático, se pueden identificar lossiguientes elementos dentro de la cadena de descomposición tecnológica:

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1.7. DESCOMPOSICION TECNOLOGICA DE UNA CADENA DE MANDO Y ENERGIADE UN SISTEMA HIDRÁULICO

CADENA DE EJEMPLO DE EJEMPLO DE ENERGIA GRUPO COMPONENTE

SALIDA DE LAENERGIA

ACTUADORESCILINDRO

REGULACION DELA ENERGIA

VALVULA DECONTROL DE CAUDAL V.R.C.

DISTRIBUCION DELA ENERGIA

VALVULA DECONTROL

DIRECCIONALV.C.D.

REGULACION DELA ENERGIA

VALVULA DECONTROL DE

PRESIONV.L.P.

TRATAMIENTO DELA ENERGIA

DISPOSITIVOS DERETENCION DE

CONTAMINANTESFILTRO

ENTRADA DE LAENERGIA

DISPOSITIVO DEGENERACION DE

CAUDALBOMBA

TRATAMIENTO DISPOSITIVOS DEACONDICIONAMIENTO COLADOR

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1.8. DESCOMPOSICION TECNOLOGICA DE UNA CADENA DE MANDO Y ENERGIADE UN SISTEMA NEUMÁTICO

CADENA DE EJEMPLO DE EJEMPLO DE ENERGIA GRUPO COMPONENTE

SALIDA DE LAENERGIA

ACTUADORESLINEALES CILINDRO DE DOBLE

EFECTO

REGULACION DE LAENERGIA

VALVULA DECONTROL

DE CAUDALV.R.C.

DISTRIBUCION DELA ENERGIA

VALVULA DECONTROL

DIRECCIONAL

VALVULADISTRIBUIDORA DE

POTENCIA

INTRODUCCION DEINFORMACION

VALVULA DECONTROL

DIRECCIONAL

VALVULADISTRIBUIDORA DE

CONTROL

TRATAMIENTO YREGULACION DE

LA ENERGIA

UNIDAD DEACONDICIONAMIENTO

DE AIRE

FILTROREGULADORLUBRICADOR

ENTRADA DE LAENERGIA

DISPOSITIVOS DEGENERACION

DE AIRE COMPRIMIDOGRUPO

COMPRESOR

2. UNIDAD II

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2.2. PRINCIPIOS BASICOS DE HIDRAULICA

La hidráulica está basada en unos pocos principios, muy simples:

Ø Los líquidos no tienen forma propia.

Ø Los líquidos son prácticamente incompresibles.

Ø Los líquidos transmiten en todas las direcciones la presión que se les aplica.

Ø Los líquidos permiten multiplicar la fuerza aplicada.

LOS LIQUIDOS NO TIENEN FORMA PROPIA. Adquieren la forma del recipiente quelos contiene (Fig. Nº1) Gracias a esta condición el aceite de cualquier sistema hidráulicopuede circular en cualquier dirección y a través de tuberías y canalizaciones decualquier diámetro o sección.

Fig. Nº1 Los líquidos no tienen forma propia

LOS LIQUIDOS SON PRACTICAMENTE INCOMPRESIBLES. La Fig. Nº2 ilustra estacondición. Por razones de seguridad, obviamente no se debe realizar este experimentomostrado. Sin embargo, si empujáramos hacia abajo el corcho de la botella hermé-ticamente cerrada, el líquido en la botella no se comprimiría. Primero se rompería labotella. (NOTA: Los líquidos se comprimen ligeramente bajo presión, pero para nuestroobjetivo son incompresibles.)

Fig. Nº2 Los líquidos son prácticamente incompresibles

LOS LIQUIDOS TRANSMITEN EN TODAS LAS DIRECCIONES LA PRESION QUE SELES APLICA. El experimento de la Fig. Nº2 rompió la botella al no ser compresibles loslíquidos y demostró que la presión es transmitida en todas las direcciones. Este hechoes de mucha importancia para los sistemas hidráulicos. Tomar dos cilindros del mismotamaño, como los de la Fig. Nº3 y comunicarlos por medio de un tubo. Llenar de aceitehasta el nivel indicado. Poner un pistón en cada cilindro, apoyado sobre la superficie del

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líquido. Ejercer ahora una fuerza de un kilogramo sobre uno de los pistones. La presiónse transmitirá al otro cilindro y el aceite hará subir el otro pistón con la misma fuerza deun kilogramo.

Fig. Nº3 - Los líquidos transmiten en todas las direcciones lapresión que se les aplica

LOS LIQUIDOS PERMITEN MULTIPLICAR LA FUERZA APLICADA.Tomemos ahora otros dos cilindros, pero esta vez de diámetro diferente,

comunicándolos por medio de un tubo como puede verse en la Fig. Nº4. El primercilindro tiene una sección de 1cm2 de área, mientras que el segundo cilindro tiene unasección de 10 cm2. Aplicando ahora una fuerza de 10 Kgf al pistón del cilindro de menordiámetro, ésta se transmite a todo el sistema como en el caso anterior. La fuerzatransmitida así al pistón de mayor diámetro es de 10 Kgf/ cm2 . Pero este cilindro tieneuna sección de 10 veces mayor, la presión total ejercida sobre su pistón será de 100Kgf. Dicho de otras palabras, hemos multiplicado la fuerza.

2.3. PRINCIPIOS FUNDAMENTALES DE LA HIDROSTATICA

Se ha observado que la palabra "hidráulica" procede de griego y significa agua. Porconsiguiente, puede suponerse correctamente que la ciencia de la hidráulica conciernea cualquier sistema accionado por agua. Una rueda hidráulica o turbina, por ejemplo, esun sistema hidráulico.

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Sin embargo, hay que hacer una distinción entre los sistemas que utilizan el impactode un líquido en movimiento y los que son accionados comprimiendo un fluidocontenido en un recipiente cerrado; es decir, por presión.Hablando propiamente:♦ Un sistema hidráulico que utiliza el impacto o energía cinética del líquido para

transmitir energía se denomina sistema hidrodinámico.♦ Cuando el sistema es accionado por una fuerza aplicada a un líquido contenido en

un recipiente cerrado se le denomina sistema hidrostático; siendo la presión lafuerza aplicada por unidad de superficie, y siendo expresada como fuerza porsuperficie unitaria (kgf/cm2).

2.3.1. Cómo se crea la presión

La presión se origina siempre que se produce una resistencia a la circulación deun líquido, o una fuerza que trata de impulsar el líquido. La tendencia a suministrarcaudal (o empuje) puede originarse mediante una bomba mecánica o simplemente porel peso del fluido. Es un hecho bien conocido que en una columna de agua la presión aumenta con laprofundidad. La presión es siempre la misma a una profundidad determinada, debido alpeso de la columna de agua situada sobre ella. En la época de Pascal, un científicoitaliano llamado Torricelli demostró que si se hace un agujero en el fondo de un tanquede agua, el agua se escapa a la máxima velocidad cuando el tanque está lleno y que elcaudal disminuye a medida que baja el nivel de agua. En otras palabras, a medida quedisminuye la columna de agua sobre la abertura, también se reduce la presión.

Torricelli pudo expresar la presión en el fondo del tanque solamente como "carga deagua" o sea la altura en metros de la columna de agua. Hoy en día, con el valor deKgf/cm2 como unidad de presión, podemos expresar la presión en cualquier punto de unlíquido o de un gas en términos más convenientes.

Una columna de un metro de agua es equivalente a 0.1Kgf/cm2; una columna deagua de 5 metros equivale a 0.5 kgf/cm2, y así sucesivamente.

En muchos lugares se utiliza el término "Carga" para describir la presión, sin tener encuenta cómo ha sido creada. Por ejemplo, se dice que una caldera crea una carga devapor cuando la presión se origina vaporizando agua en un recipiente cerrado. Lostérminos presión y carga se utilizan, a veces, indistintamente.

2.3.2. Presión Atmosférica.

La tierra está rodeada de una masa gaseosa (el aire, la atmósfera) que actúa por supeso, ejerciendo presión sobre su superficie. Si se realiza un experimento en donde se introduce un tubo de vidrio abierto por unextremo en una cubeta de agua de modo que quede completamente lleno y se le vuelcamanteniendo la abertura siempre dentro del agua, dirigiendo el otro extremo haciaarriba y haciéndolo asomar por encima del nivel del agua observaremos que el tubo nose vacía, sino que permanece lleno. El peso del nivel de la columna de líquido que sobresale del agua es soportado(equilibrado)por la presión atmosférica. La presión atmosférica es de una magnituddeterminada y puede expresarse, por ejemplo, en Kgf/cm2.

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En el proceso que se acaba de describir, es claro que la columna de agua quesobresale del nivel en la cubeta no puede tener una altura arbitraria. Esta suposiciónqueda confirmada cuando en vez de agua se emplea mercurio y si hacemos que el tubono sea de unos pocos centímetros de longitud, sino de unos 90 a 100 cm. Se verá querealizando la experiencia en las mismas condiciones señaladas anteriormente, lacolumna de mercurio será equilibrada en unos 76 cm de altura. (Fig Nº5)

Fig Nº5 - Presión atmosférica medida con un barómetro de mercurio

La presión atmosférica será ahora igual al peso de la columna de mercurio quesobresale del nivel del líquido en la cubeta. Este peso puede calcularse. Será para 1cm2 de sección transversal del tubo y, por ejemplo 76 cm de altura de lacolumna de mercurio = al volumen de la columna de líquido en cm3 X la densidad delmercurio en g/cm3, o sea:

Base 1 cm2 X Altura 76cm X 13,6 g/cm3 = 76 cm3 X 13,6 g/cm3

= 1033,6 g ó también 1,033 Kgf

De lo anterior se puede deducir que la medida de presión determinada es la unidadtécnica o atmósfera (at) que equivale a 1 Kgf/cm2.

2.4. PRINCIPIOS FUNDAMENTALES DE LA HIDRODINAMICA

Caudal

El caudal origina el movimiento del actuador. La fuerza puede transmitirse mediantepresión únicamente, pero el caudal es esencial para producir un movimiento. El caudaldel sistema hidráulico es suministrado por la bomba.2.4.1. Cómo se mide el caudal

Existen dos maneras de medir el caudal de un líquido.

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Velocidad.- Es la velocidad media de las partículas del líquido en un punto determinadoo la distancia media que, las partículas recorren por unidad de tiempo. Se mide enmetros por segundo o en metros por minuto.Caudal._ Es la cantidad de líquido que pasa por un punto, por unidad de tiempo. Loscaudales grandes se miden en litros por minuto. Los caudales pequeños puedenexpresarse en cm3 /minuto.

En la Fig Nº6 puede verse la diferencia entre velocidad y caudal. Un caudalconstante de un litro por minuto aumenta o disminuye de velocidad cuando la secciónde la tubería cambia de tamaño.

Caudal y velocidad

La velocidad de un actuador hidráulico, tal como, depende siempre del tamaño delactuador y del caudal que actúa sobre él.

Como el volumen de un actuador se expresa generalmente en litros, hay que tener encuenta que:

1 l/min = 1 dm3 /min = 1000 cm3 /min

Cuando un líquido fluye tiene que existir un desequilibrio de fuerzas para originar elmovimiento. Por consiguiente, cuando un líquido circula a través de una tubería dediámetro constante, la presión será siempre inferior en un punto más abajo de lacorriente que en otro punto situado a contracorriente. Se requiere una diferencia depresiones, o caída de presión, para vencer el rozamiento en la línea, la Figura Nº7muestra la caída de presión debida al rozamiento. Las caídas de presión sucesivas(desde la presión máxima hasta la presión cero) vienen representadas por lasdiferencias de nivel del líquido en los tubos verticales sucesivos.

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2.4.2. El fluido busca un nivel

Inversamente, cuando no hay diferencia de presiones en un líquido, la superficie delmismo permanece horizontal. Si la presión aumenta en un punto, el nivel del líquidosube hasta que el peso correspondiente compensa la diferencia de presiones.

La diferencia de alturas, en el caso del aceite, es un metro por cada 0.09 kp/cm2. Asípues, puede verse qué diferencias adicionales de presión serán necesarias para hacerque un líquido ascienda por una tubería venciendo la fuerza debida al peso del líquido.

Al diseñar un circuito, debe añadirse a la presión necesario para mover la carga, larequerida para mover la masa de aceite y para vencer el rozamiento.

En la mayoría de las aplicaciones, un buen diseño reduce las caídas de presiónhasta el punto de que resultan prácticamente despreciables.

2.4.3. Régimen laminar y turbulento

Idealmente, cuando, las partículas de un líquido circulan por una tubería semueven según trayectorias rectas y paralelas. Este régimen se denomina laminar y seproduce a baja velocidad, en tuberías rectas Con régimen laminar el rozamiento esmenor.

Cuando las trayectorias de las partículas no son paralelas y se cruzan, elrégimen se denomina turbulento.

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El régimen turbulento se origina por cambios, bruscos en la dirección o en lasección, o por una velocidad demasiado elevada. El resultado es un rozamiento muchomayor que origina calentamiento, aumenta la presión de trabajo y malgasta potencia.

En el régimen laminar las trayectorias son paralelas

En el régimen turbulento el rozamiento aumenta

Fig Nº8- Régimen laminar y turbulento

2.4.4. Teorema de Bernoulli

El fluido hidráulico, en un sistema que trabaja, contiene energía bajo tres formas:energía cinética que depende de la velocidad y masa del fluido, energía potencial quedepende de su posición, y energía de presión que depende de su compresión.

Daniel Bemoulli, un científico suizo, demostró que, en un sistema con caudalconstante la energía se transforma de una forma u otra, cada vez que se modifica elárea de la sección transversal de la tubería. Fig Nº9

El principio de Bernoulli afirma que la suma de las energías cinética, potencial y depresión, en distintos puntos del sistema, debe ser constante. Al variar el diámetro de latubería la velocidad cambia. Así pues, la energía cinética aumenta o disminuye. Ahorabien, la energía no puede crearse ni destruirse. Por lo tanto, la variación de energíacinética debe ser compensada por un aumento o disminución de la energía decompresión, es decir, de la presión.

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La utilización de un tubo de Venturi en el carburador de un automóvil es un ejemplofamiliar del teorema de Bernoulli. Fig Nº10 La presión del aire, que pasa a través delcuerpo del carburador, disminuye cuando pasa por un estrangulamiento. Ladisminución de presiones permite que fluya gasolina, se vaporice y se mezcle con lacorriente de aire.

Fig Nº10- El efecto Venturi en un carburador de gasolina es una aplicación del teorema de Bernoulli

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2.5. TRANSMISION DE POTENCIA HIDRAULICA

Ahora puede definirse la hidráulica como un medio de transmitir energía empujandoun líquido confinado. El componente de entrada del sistema se llama bomba; el desalida se denomina actuador.

Aunque por razones de sencillez se representa un pistón simple, la mayoría de lasbombas llevan pistones múltiples, paletas o engranajes, que son sus elementos debombeo. Los actuadores pueden ser lineales, como el cilindro mostrado, o rotativos,como los motores hidráulicos Fig Nº 11 y 12

Fig Nº 11- Sistema hidráulico en un actuador lineal

Fig Nº 12- Sistema hidráulico en un actuador rotativo

El sistema hidráulico no es una fuente de potencia. La fuente de potencia es unaccionador primario un motor eléctrico u otro tipo de motor que acciona la bomba. El

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lector podría preguntarse: ¿por qué no olvidarse de la hidráulica y acoplar el equipomecánico directamente al accionador primario? La respuesta reside en la versatilidaddel sistema hidráulico que tiene ventajas sobre los otros métodos de transmisión deenergía.

2.5.1. VENTAJAS DE LA HIDRAULICA

Velocidad variable

La mayoría de los motores eléctricos funcionan a una velocidad constante. Elactuador (lineal o rotativo) de un sistema hidráulico, sin embargo, puede moverse avelocidades infinitamente variables, variando el suministro de la bomba o usando unaválvula de control de caudal. Fig Nº13 y 14

Fig Nº13- Cilindro hidráulico actuando a una velocidad máxima y constante

Fig Nº14- Cilindro hidráulico actuando a una velocidad regulada y variable

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Reversibilidad

Pocos accionadores primarios son reversibles. Los que son reversibles,generalmente deben desacelerarse hasta una parada completa antes de invertirlos.

Un actuador hidráulico puede invertirse, instantáneamente, en pleno movimiento, sinproblemas.

Una válvula direccional de 4 vías (Fig Nº15 y 16) o una bomba reversibleproporcionan el control de inversión, mientras una válvula limitadora de presión protegea los componentes del sistema contra las presiones excesivas.

Fig Nº15- Válvula posicionada para permitir salida del vástago

Fig Nº16- Válvula posicionada para permitir la entrada del vástago

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Protección contra las sobrecargas

La válvula limitadora de presión de un sistema hidráulico lo protege contra lassobrecargas. Cuando la carga es superior al taraje de la válvula, el caudal de la bombase dirige al depósito limitando el par o la fuerza de salida. La válvula limitadora depresión también proporciona el medio de ajustar una máquina para un par o fuerzapredeterminada, como en una operación de bloqueo.

Tamaños pequeños

Los componentes hidráulicos, debido a su elevada velocidad y capacidad depresión, pueden proporcionar una potencia de salida elevada con pesos y tamañospequeños.

Pueden bloquearse

El bloqueo de un motor eléctrico causa daños o funde el fusible. Igualmente, lasmáquinas no pueden bloquearse bruscamente e invertirse su sentido sin necesidad dearrancar de nuevo. Un actuador hidráulico, sin embargo, puede quedar bloqueado sinque se produzcan daños, al estar sobrecargado, y arrancará inmediatamente encuanto disminuya la carga. Durante el bloqueo, la válvula de seguridad simplementedirige el caudal de la bomba al depósito. La única pérdida experimentada es lapotencia que se disipa inútilmente.

2.5.2. PRESION EN UNA COLUMNA DE FLUIDO

El peso específico del aceite varía al cambiar su viscosidad. Sin embargo, el pesoespecífico de la mayoría de los aceites hidráulicos varía de 0.88 a 0.93 kgf/cm3, encondiciones de funcionamiento normales.

Una consideración importante referente al peso específico del aceite es su efecto enla entrada de la bomba. El peso del aceite origina una presión de aproximadamente0.09 kgf/cm2 en el fondo de una columna de aceite de 100 cm de altura. Así pues, paraestimar la presión en la parte inferior de cualquier columna de aceite se debemultiplicar su altura en centímetros por 0.0009 kgf/cm2.

Para aplicar este principio consideremos los casos en que el depósito de aceite estésituado encima o debajo de la entrada de la bomba (Fig Nº17 y 18). Cuando el nivel deaceite del depósito está por encima de la entrada de la bomba, existe una presiónpositiva que fuerza al aceite hacia la bomba. Sin embargo, si la bomba está situada porencima del nivel de aceite, se necesita un vacío equivalente a 0.09 kgf/cm2 por metropara elevar el aceite hasta la entrada de la bomba. En realidad, el aceite no es elevadopor el vacío, sino que la presión atmosférica impulsa al aceite contra el vacío creado ala entrada de la bomba cuando ésta está funcionando. El agua y varios fluidoshidráulicos ininflamables son más pesados que el aceite y por consiguiente requierenmás vacío por centímetro de elevación.

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Fig Nº17- El nivel del aceite sobre la bomba carga la entrada

Fig Nº18- El nivel de aceite inferior requiere un vacío para elevar el aceite

2.5.3. LA PRESION ATMOSFERICA CARGA LA BOMBA

Normalmente la entrada de una bomba está cargada con aceite, debido a ladiferencia de presiones entre el depósito y la entrada de la bomba. Generalmente lapresión en el depósito es la presión atmosférica, que es de 1.03 kgf/cm2. Es, pues,necesario tener un vacío parcial o una presión reducida a la entrada de la bomba, paraque ésta pueda aspirar aceite.

La Fig Nº19 muestra la situación típica de una bomba manual, que es simplementeun pistón recíproco. En la carrera de aspiración, el pistón crea un vacío parcial en la cá-mara de bombeo. La presión atmosférica en el depósito impulsa al aceite hacia lacámara para llenar el vacío. (En una bomba rotativa las cámaras de bombeo sucesivas

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aumentan de tamaño a medida que pasan por la entrada creando, efectivamente, unacondición de vacío.)

Si fuese posible crear un vacío completo a la entrada de la bomba, se dispondría de1.03 kgf/cm2 para impulsar al aceite. Sin embargo, prácticamente la diferencia depresión disponible es mucho menor. Uno de los motivos es que los líquidos seevaporan en un vacío. Esto introduce burbujas de gas en el aceite. Las burbujas sonarrastradas a través de la bomba, desaparecen con fuerza considerable cuando se venexpuestas a la presión en la salida y causan daños que pueden perjudicar alfuncionamiento de la bomba y reducir su vida útil.

Incluso si el aceite tiene buenas características de presión de vapor (como la mayoríade los aceites hidráulicos), una presión en la línea de entrada demasiado baja (altovacío) permite que se evapore el aire disuelto en el aceite.

Esta mezcla de aceite también desaparece al verse expuesta a la presión de la cargay provoca los mismos daños de cavitación. Si la bomba funciona a velocidad demasiadoelevada, aumenta la velocidad en la línea de entrada y también la condición de bajapresión, lo que incrementa la posibilidad de cavitación.

Si los racores de la línea de entrada no están bien apretados, el aire exterior, a lapresión atmosférica, puede penetrar hacia la presión más baja (zona de más bajapresión de la línea) y puede llegar hasta la bomba. Esta mezcla aire-aceite también escausa de problemas y de ruido pero es diferente de la cavitación. Cuando se veexpuesto a la presión en la salida de la bomba, este aire adicional se comprime,formando una especie de "cojín", y no desaparece tan violentamente. No se disuelve enel aceite pero penetra en el sistema en forma de burbujas compresibles que provocanun funcionamiento errático de las válvulas y actuadores.

La mayoría de los fabricantes de bombas recomiendan un vacío que no exceda de127 mm de mercurio, el equivalente de aproximadamente 0.83 kgf/cm2 en la entrada dela bomba. Con una presión atmosférica de 1.03 kgf/cm2 disponible en el depósito estodeja solamente una diferencia de presión de 0.20 kgf/cm2 para impulsar al aceite haciala bomba. Debe evitarse una elevación excesiva y las líneas de entrada de la bombadeben permitir que el aceite circule con un mínimo de resistencia.

Fig Nº19- La diferencia de presión empuja el aceite hacia la bomba

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2.5.4. LAS BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO DAN CAUDAL

La mayoría de las bombas utilizadas en los sistemas hidráulicos se clasifican comode desplazamiento positivo. Esto significa que, exceptuando los cambios derendimiento, la salida de la bomba es constante, aislada de la entrada, de forma quecualquier cosa que entre se ve forzada a salir por el orificio de salida.

El único objeto de una bomba es dar caudal; la presión es originada por la resistenciaal caudal. Aunque existe la tendencia de culpar a la bomba por la pérdida de presión,con pocas excepciones, la presión puede perderse solamente cuando hay fugas quedesvían todo el caudal procedente de la bomba. Como ejemplo supongamos que unabomba de 10 litros por minuto se utiliza para alimentar un cilindro de 100 cm2 y paralevantar una carga de 4000 kgf (Fig Nº20). Mientras la carga sea elevada o soportadapor el aceite hidráulico, la presión debe ser 40 kgf/cm2 .

Fig Nº20- Circuito hidráulico sin fugas en el sistema

Incluso si hay un agujero en el pistón y 9.5 l/min se fugan a 40 kgf/cm2, la presión seseguirá manteniendo. Con solamente 0.5 l/min disponibles para mover la carga, ésta,naturalmente, se levantará muy despacio, pero la presión requerida para moverlaseguirá siendo la misma.

Ahora imaginemos que la fuga de 9.5 l/min estuviese en la bomba en vez que en elcilindro. Todavía habría 0.5 l/min para mover la carga y todavía habría presión. Asípues, una bomba puede estar muy desgastada, perdiendo casi todo su rendimiento, y lapresión todavía puede mantenerse. El mantenimiento de la presión no indica el estadode la bomba. Es necesario medir el caudal a una presión determinada para comprobarsi una bomba está en buenas o malas condiciones.

La pérdida total de la presión requiere perdida completa del caudal de salida de labomba

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Fig Nº21- Circuito hidráulico con perdidas en el sistema

2.5.5. COMO SE CREA LA PRESION

La presión se origina cuando el caudal encuentra resistencia. La resistenciapuede ser debida a la carga del actuador o a una restricción (u orificio) en las tuberías.La Fig Nº20 es un ejemplo de un actuador con carga. El peso de 4000 kgf resiste alcaudal de aceite bajo el pistón y crea presión en el líquido. Si el peso aumenta, tambiénlo hace la presión

Si una bomba de 10 l/min tiene su salida conectada a una válvula de seguridadregulada a 70 kgf/cm2 y a un grifo. Si el grifo está completamente abierto el caudal desalida de la bomba pasa libremente y no hay indicación en el manómetro.

Supongamos ahora que el grifo se cierra progresivamente. Aumenta la resistencia alcaudal y la presión irá aumentando a la entrada del grifo. A medida que se cierra laabertura se necesitará cada vez más presión para impulsar los 10 l/min a través de larestricción. Sin la válvula de seguridad no habría teóricamente ningún límite alincremento de la presión. De hecho, algo se rompería o la bomba bloquearía el motorque la acciona.

En el ejemplo señalado, en el momento que la presión llega a 70 Kgf/cm2, la válvulade seguridad empieza a abrirse y la presión permanece constante. Cerrar más el grifodará como resultado que pasará menos aceite por el mismo y más por la válvula deseguridad; con el grifo completamente cerrado, los 10 l/min pasarán por la válvula deseguridad a 70 Kgf/cm2.

Por lo tanto se debe tener presente que todos los sistemas en que se empleanbombas de desplazamiento positivo deben utilizarse una válvula de seguridad u otrosistema que limite la presión.

2.5.6. LA PRESION INDICA LA CARGA DE TRABAJO

Como se ha visto la presión se genera por la resistencia de una carga. Se observóque la presión es igual a fuerza de la carga dividida por la superficie del pistón. Se puede expresar esta relación mediante la fórmula siguiente:

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En esta relación: P = presión en Kgf/cm2

F = fuerza en Kgf S = superficie en cm2

Según esto, puede verse que un aumento o disminución de la carga dará comoresultado un incremento o disminución similar en la presión de trabajo. En otraspalabras la presión es proporcional a la carga, y una lectura del manómetro indica lacarga de trabajo (en Kgf/cm2) en un momento dado. Los manómetros indican presiones relativas. Es decir que un manómetro estándarindica 0 a la presión atmosférica. Un manómetro absoluto indica 1,03 Kgf/cm2 a la presión atmosférica al nivel delmar. La presión absoluta se mide generalmente en Kgf/cm2 abs.

2.5.7. LA FUERZA ES PROPORCIONAL A LA PRESION Y A LA SUPERFICIE

Cuando un cilindro hidráulico se usa para mantener una carga, la fuerza que aplicapuede calcularse como sigue:

Como ejemplo, supongamos que una prensa hidráulica tiene una presión reguladaa 140 Kgf/cm2 y esta presión se aplica a una superficie de 100 cm2. La fuerza de salidaserá entonces de 140.000 Kgf ó 14 t.

CALCULO DE LA SUPERFICIE DEL PISTON

La superficie de un pistón puede calcularse mediante la fórmula:

2.6. ACEITE HIDRAULICO

Todos los líquidos son esencialmente incompresibles y, por consiguiente,transmiten la energía instantáneamente en un sistema hidráulico. La palabra hidráulica,de hecho, viene del griego Hydor que significa agua y Aulos que significa tubo. Laprimera prensa hidráulica de Bramah y algunas prensas todavía utilizadas hoy en díaemplean el agua como elemento de transmisión. Sin embargo, el líquido más general-mente usado en los sistemas hidráulicos es el aceite procedente del petróleo. El aceitetransmite la energía fácilmente porque es muy poco compresible. Se comprime aproxi-madamente 0.5 % a una presión de 70 kgf/cm2, lo que es despreciable en la mayoría delos sistemas. La propiedad más destacable del aceite es su capacidad lubrificante. Elfluido hidráulico debe lubrificar la mayor parte de las piezas móviles de loscomponentes.

SFP =

SPF ×=

27854,0 dS ×=

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La selección y el cuidado que se tenga con el fluido hidráulico de una máquina tienenun efecto importante sobre su funcionamiento y sobre la duración de sus componenteshidráulicos. La composición y aplicación de los fluidos hidráulicos es una ciencia aparteque está fuera del alcance de estos contenidos. En este apartado, se encontrarán losfactores fundamentales que intervienen en la selección de un fluido y en su adecuadautilización.

En los contenidos anteriores se ha definido un fluido como cualquier líquido o gas.Sin embargo, el término fluido se ha generalizado en hidráulica para referirse al líquidoque se utiliza como medio de transmisión de energía. En este apartado, fluidosignificará fluido hidráulico, bien sea un aceite mineral adecuado o alguno de los fluidosininflamables, que pueden ser compuestos sintéticos.

2.6.1. OBJETIVOS DEL FLUIDO

El fluido hidráulico tiene 4 objetivos principales: transmitir potencia, lubrificar laspiezas móviles, minimizar las fugas y enfriar o disipar el calor.

Transmisión de potencia

Como medio transmisor de potencia, el fluido debe poder circular fácilmente por laslíneas y orificios de los elementos. Demasiada resistencia al flujo origina perdidas depotencia considerable. El fluido también debe ser lo más incompresible posible, deforma que cuando se ponga en marcha una bomba o cuando se actúe una válvula, laacción sea instantánea.

Lubrificación

En la mayoría de los elementos hidráulicos, la lubrificación interna la proporciona elfluido. Los elementos de la bomba y otras piezas desgastables se deslizan unos contraotros sobre una película de fluido. Para que la duración de los componentes sea larga,el aceite debe contener los aditivos necesarios para asegura, buenas característicasantidesgaste. No todos los aceites hidráulicos contienen estos aditivos.

Vickers recomienda la nueva generación de aceites hidráulicos industriales quecontienen cantidades adecuadas de aditivos antidesgaste. Para el servicio hidráulicogeneral, estos aceites ofrecen excelente protección contra el desgaste de bombas ymotores y tienen la ventaja de una larga duración.

Además, estos aceites proporcionan una buena demulsibilidad así como proteccióncontra la oxidación. Estos aceites se conocen generalmente como "aceites hidráulicostipo antidesgaste".

La experiencia ha demostrado que los aceites para cárter de automóvil tipo "MS"viscosidad SAE 10 W y 20-20 W, son excelentes para los servicios hidráulicos severoscuando no hay muy poca agua. El único inconveniente es que sus aditivos detergentestienden a emulsionar el agua con el aceite e impiden su separación, incluso durantemucho tiempo.

Hay que observar que muy pocos problemas se han experimentado hasta la fecha enel empleo de estos aceites en sistemas hidráulicos de maquinaria industrial. Lacondensación normal no ha sido problema.

Los aceites "MS" son especialmente recomendados para los sistemas hidráulicos deequipo móvil (tractores, excavadoras, asfaltadoras, etc.).

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Estanqueidad

En muchos casos, el fluido es el único cierre contra la presión dentro de uncomponente hidráulico. En las válvulas de corredera no hay anillo de cierre entre lacorredera de la válvula y el cuerpo para reducir las fugas entre los pasajes de alta ybaja presión. El ajuste mecánico y la viscosidad del aceite determinan el porcentaje delas fugas.

Enfriamiento

La circulación del, aceite a través de las líneas y alrededor de las paredes deldepósito disipa parte del calor generado en el sistema.

2.6.2. REQUERIMIENTOS DE CALIDAD

Además de estas funciones fundamentales el fluido hidráulico puede tener otrosrequerimientos de calidad tales como:

Ø Impedir la oxidaciónØ Impedir la formación de lodo, goma y barnizØ Reducir la formación de espumaØ Mantener su propia estabilidad y, por consiguiente, reducir el costo del

cambio de fluidoØ Mantener un índice de viscosidad relativamente estable entre amplios

límites de temperaturaØ Impedir la corrosión y la formación de picadurasØ Separar el aguaØ Compatibilidad con cierres y juntas

Estos requerimientos de calidad son frecuentemente el resultado de unacomposición especial y pueden no estar presentes en todos los fluidos.

2.6.3. PROPIEDADES DEL FLUIDO

Considerarnos a continuación las propiedades de los fluidos hidráulicos que lespermiten realizar sus funciones fundamentales y cumplir con algunos o todos susrequerimientos de calidad.

Viscosidad

La viscosidad es la medida de la resistencia del fluido a la circulación de mismo. Siun fluido circula con facilidad, su viscosidad es baja. También se puede decir que elfluido es fino, o que tiene poca consistencia o poco cuerpo.

Un fluido que circula con dificultad tiene una viscosidad alta. Es grueso o tienemucha consistencia.

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Viscosidad, una solución de compromiso

En cualquier máquina hidráulica la viscosidad del fluido debe ser un compromiso.Una viscosidad elevada es deseable para mantener la estanqueidad entre superficiesadyacentes.

Sin embargo, una viscosidad demasiado alta aumenta la fricción, la que da comoresultado:

Ø Elevada resistencia al flujo.Ø Alto consumo de potencia debido a las pérdidas por rozamientos.Ø Elevada temperatura causada por la fricción.Ø Aumento de la caída de presión debido a la resistencia.Ø Posibilidad de que el funcionamiento se haga más lento.Ø Dificultad en separar el aire del aceite en el depósito.

Y en caso de que la viscosidad fuera demasiado baja:Ø Aumento de las fugas.Ø Excesivo desgaste e incluso agarrotamiento bajo cargas elevadas que

pueden producirse al destruirse la película de aceite entre piezas móviles.Ø Puede reducirse el rendimiento de la bomba haciendo que el actuador

funcione más despacio.Ø Aumento de temperaturas debido a las fugas.

Viscosidad SUS

Para la mayoría de las aplicaciones prácticas es suficiente conocer la viscosidadrelativa del fluido. La viscosidad relativa se determina midiendo el tiempo que tarda unacierta cantidad de liquido en fluir a través de un orificio normalizado a una temperaturadeterminada. Hay varios sistemas de medida. El método más utilizado es elviscosímetro Saybolt.

El tiempo que transcurre para fluir una cantidad dada de líquido a través del orificiose mide con un reloj. La viscosidad en Segundos Universales Saybolt (SUS) iguala altiempo transcurrido.

Naturalmente, un líquido grueso fluirá más despacio y la viscosidad SUS será másalta que la de un líquido ligero que fluirá más rápido. Como el aceite se vuelve másviscoso a temperaturas bajas, y disminuye su viscosidad cuando se calienta, laviscosidad se debe expresar con SUS determinados a una temperatura dada. Lasmedidas se hacen generalmente a 100º F ó 210º F (37,8º C ó 98,9º C).

Para aplicaciones industriales, la viscosidad del aceite acostumbra a ser del ordende 150 SUS a 100º F (37,8º C). Es una norma general que la viscosidad no debe sernunca inferior a 45 SUS, ni superior a 4000 SUS, con independencia de la temperatura.Cuando se trabaja a temperaturas extremas, el fluido debe de tener un índice deviscosidad muy elevado.

Número SAE

Los números SAE han sido establecidos por la Society of Automotive Engineerspara establecer intervalos de viscosidades SUS a las temperaturas de prueba SAE.

Los números de invierno (5W, 10W, 20W) se determinan haciendo medidas a 0º F

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(-17,9º C). Los números de verano (20,30, 40,50, etc.) designan el intervalo SUS a210ºF (98,9º C).

Índice de viscosidad (IV)

El índice de viscosidad es un número arbitrario que indica el cambio de viscosidaddel fluido al variar la temperatura. Un fluido que tenga un índice de viscosidadrelativamente estable a temperaturas extremas tiene un índice de viscosidad (IV) muyelevado. Un fluido que sea muy espeso a temperaturas muy bajas y muy ligero atemperaturas muy elevadas tendrá un IV muy bajo. Es conveniente utilizar un fluido de IV elevado cuando se trabaja a temperaturasextremas. No obstante, si una máquina funciona a temperaturas relativamenteconstantes, el índice de viscosidad tiene menos importancia.

Punto de fluidez

El punto de fluidez es la temperatura más baja a la que un líquido debe fluir. Es unaespecificación muy importante si el sistema hidráulico está expuesto a temperaturasextremadamente bajas. Como regla general, el punto de fluidez debe estar 10º C pordebajo de la temperatura más baja de utilización.

Capacidad de lubrificación

Es deseable que las piezas móviles del sistema hidráulico tengan una holgurasuficiente para que puedan deslizarse sobre una película de fluido. Esta condición sellama lubrificación completa. Si el fluido tiene una viscosidad adecuada, las pequeñasimperfecciones de las superficies de las piezas metálicas no se tocarán. Sin embargo,en equipos de alta precisión, las altas presiones y velocidades, juntamente con holgurasfinas, originan que la película del fluido se haga muy delgada, originándose entoncesuna condición límite de lubrificación. Aquí puede haber contacto metal-metal entre lascrestas de las dos superficies en contacto y se necesita un aceite con propiedadesquímicas especiales.

Resistencia a la oxidación

La oxidación o reacción química con el oxígeno es un factor importante que reduce lavida o duración de un fluido. Los aceites de petróleo son particularmente susceptibles ala oxidación ya que el oxigeno se combina fácilmente con el carbono y el hidrógeno queforman parte de la composición química de los aceites.

La mayoría de los productos de la oxidación son solubles en el aceite y tienen lugarreacciones entre ellos, formándose goma, lodo o barniz que, debido a su acidez,pueden originar corrosión en el sistema, además de aumentar la viscosidad del aceite.

Los productos de oxidación que son insolubles taponan orificios, aumentan eldesgaste y hacen que las válvulas se agarroten.

CatalizadoresHay siempre un número de catalizadores de oxidación en el sistema hidráulico. El

calor, la presión, los contaminantes, el agua, las superficies metálicas y la agitación,todos ellos aceleran la oxidación una vez que ésta empieza.

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Es particularmente importante la temperatura. La experiencia ha demostrado atemperaturas inferiores a 57º C el aceite se oxida muy lentamente. Pero la velocidad deoxidación (o cualquier otra reacción química) se dobla aproximadamente por cadaaumento de 10º C.

Los fabricantes de aceite hidráulico añaden aditivos para resistir a la oxidación, yaque muchos sistemas trabajan a temperaturas muy altas.

Estos aditivos:1.- Impiden inmediatamente que la oxidación continúe una vez iniciada (tiporompedor de cadena) o2.- Reducen el efecto de los catalizadores de oxidación (tipo desactivador metálico).

Prevención de la oxidación y de la corrosión

La oxidación es la unión química del hierro (o acero) con el oxígeno. La corrosiónes una reacción química entre un metal y un ácido. Los ácidos resultan de la com-binación química del agua con ciertos elementos. Ya que es generalmente imposible impedir que el aire atmosférico y la humedad quecontiene penetren en el sistema hidráulico, habrá siempre posibilidades de que hayaoxidación y corrosión. Durante la corrosión las partículas de metal se disuelven y sedesprenden del componente Tanto la oxidación como, la corrosión contaminan el sistema y originan un desgaste.También originan fugas excesivas y puede ocurrir que los componentes se agarroten.

Pueden evitarse la oxidación y la corrosión incorporando aditivos al fluido, queprotegen las superficies metálicas de los ataques químicos.

Desemulsibilidad

Pequeñas cantidades de agua pueden ser toleradas en la mayoría de los sistemas,De hecho, algunos componentes antioxidantes promueven un cierto grado deemulsificación, o mezcla con el agua que se introduce en el sistema. Esto impide que elagua se deposite y rompa la película anti-oxidación. Sin embargo, demasiada agua enel aceite facilita la acumulación de contaminantes que pueden originar elagarrotamiento de las válvulas y la aceleración del desgaste.

Con aditivos adecuados, puede conseguirse que un aceite hidráulico tenga un altogrado de desemulsibilidad o capacidad para separar el agua.

Uso de aditivos

Como la mayoría de las propiedades deseables de un fluido son, por lo menos,parcialmente atribuidas a los aditivos, podría suponerse que los aditivos comercialespueden ser incorporados a cualquier aceite para hacerlo más adecuado a un sistemahidráulico. Los fabricantes, sin embargo, previenen contra esto, diciendo que losaditivos deben ser compatibles con el fluido base y entre si, más aún, que estacompatibilidad no puede ser determinada fácilmente por el usuario. A menos que sedisponga de un laboratorio para averiguar su compatibilidad, es mejor dejar el uso delos aditivos al criterio del fabricante del fluido.

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3. UNIDAD III

3.1. ELEMENTOS Y ACCESORIOS HIDRAULICOS Y NEUMATICOS

BOMBAS

Las bombas hidráulicas son los elementos encargados de impulsar el aceite olíquido hidráulico, transformando la energía mecánica rotatoria en energía hidráulica.

El proceso de transformación de energía se efectúa en dos etapas: aspiración ydescarga.

Aspiración Al comunicarse energía mecánica a la bomba, ésta comienza a girar y con estose genera una disminución de la presión en la entrada de la bomba, como el depósitode aceite se encuentra sometido a presión atmosférica, se genera entonces unadiferencia de presiones lo que provoca la succión y con ello el impulso del aceite haciala entrada de la bomba.

Descarga Al entrar aceite, la bomba lo toma y lo traslada hasta la salida y se asegura por laforma constructiva que el fluido no retroceda. Dado esto, el fluido no encontrará másalternativa que ingresar al sistema que es donde se encuentra espacio disponible,consiguiéndose así la descarga.

Clasificación de las Bombas

1 CaudalConstante (cilindrada constante)

Variable (Cilindrada variable)

2 Construcción

Engranajes

Paletas

Pistones

Dientes externosDientes internosLóbulosRotor

DesequilibradasEquilibradas

AxialesRadiales

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3.1.1. Bombas de desplazamiento positivo

Gracias al movimiento cíclico constante de su parte móvil, una bomba dedesplazamiento positivo es capaz de entregar un caudal constante de líquido y soportar(dentro de sus límites) cualquier presión que se requiera.

En otras palabras, una bomba de desplazamiento positivo genera caudal, pero aalta presión.

Una bomba de desplazamiento positivo consiste básicamente de una parte móvilalojada dentro de una carcasa. La bomba mostrada en la figura tiene un émbolo comoparte móvil. El eje del émbolo está conectado a una máquina de potencia motriz capazde producir un movimiento alternativo constante del émbolo. El puerto de entrada estáconectado al depósito, en los puertos de entrada y salida, una bola permite que ellíquido fluya en un solo sentido a través de la carcasa.

Estas bombas las constituyen las del tipo oleohidráulico, es decir, bombas queademás de generar el caudal, lo desplazan al sistema obligándolo a trabajar, estefenómeno se mantiene aún a elevadas presiones de funcionamiento.

Las bombas pueden clasificarse además dependiendo de la forma en que sedesplaza la parte móvil de éstas; si el desplazamiento es rectilíneo y alternado,entonces se llamarán oscilantes, y si el elemento móvil gira se llamarán rotativas.

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3.1.2. Bomba de engranajes de dientes externos

A consecuencia del movimiento de rotación que el motor le provoca al eje motriz,éste arrastra al engranaje respectivo el que a su vez provoca el giro del engranajeconducido (segundo engranaje). Los engranajes son iguales en dimensiones y tienensentido de giro inverso.

Con el movimiento de los engranajes, en la entrada de la bomba se originanpresiones negativas; como el aceite que se encuentra en el depósito está a presiónatmosférica, se produce una diferencia de presión, la que permite el traslado de fluidodesde el depósito hacia la entrada de la bomba (movimiento del fluido). Así losengranajes comienzan a tomar aceite entre los dientes y a trasladarlo hacia la salida ozona de descarga. Por efecto del hermetismo de algunas zonas, el aceite quedaimpedido de retroceder y es obligado a circular en el sistema.

3.1.3. 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 medialuna. Existe una zona donde los dientes engranan completamente en la cual no esposible alojar aceite entre los dientes.

Al estar los engranajes ubicados excéntricamente comienzan a separarsegenerando un aumento del espacio con lo cual se provoca una disminución de presión

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lo que asegura la aspiración de fluido. Logrado esto, el aceite es trasladado hacia lasalida, la acción de la placa con forma de media luna y el engrane total, impiden elretrocesos del aceite.

3.1.4. Bomba de lóbulo

Esta bomba funciona siguiendo el principio de la bomba de engranajes dedientes externos, es decir, ambos elementos giran en sentidos opuestos, con lo que selogra aumentar el volumen y disminuir la presión y por ello conseguir la aspiración delfluido.

Por la forma constructiva de los engranajes el caudal desplazado puede sermayor. Se genera una sola zona de presión, por lo cual esta bomba constituye una deltipo desequilibrada, y al no podérsele variar la cilindrada, se dice entonces que labomba es de caudal constante.

3.1.5. Bomba de paletas desequilibradas

Al girar el rotor dentro del anillo volumétrico y ubicado en forma excéntrica a éste,se genera por lo tanto una cierta diferencia que permite en algunos casos controlar lacilindrada.

Gracias a la excentricidad se genera una zona que hace las veces de cierrehermético que impide que el aceite retroceda. A partir de esta zona y producto de lafuerza centrífuga, las paletas salen de las ranuras del rotor, ajustándose a la superficieinterna del anillo, así entre cada par de paletas se crean cámaras que hacen aumentarel volumen y disminuir la presión, con lo que es posible asegurar el continuo suministrode aceite. El aceite es tomado en estas cámaras y trasladado a la zona de descarga.

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Al tener la bomba una sola zona de alta presión se originan fuerzas que no soncompensadas, lo que indica que la bomba se trata de una bomba desequilibrada.

3.1.6. Bomba de paletas equilibradas

Se distingue en este tipo de bomba las siguientes situaciones:

Ø Anillo volumétricoØ El rotor y el anillo están ubicados concéntricamenteØ Posee dos zonas de aspiración y dos de descarga, por lo tanto la aspiración y

descarga se realiza dos veces en cada revoluciónØ Su caudal es fijoØ Las fuerzas resultantes se anulan, por lo tanto la bomba es equilibrada

3.1.7. Bombas de Pistones

Definición

Estas bombas se emplean en gran cantidad dada la gran capacidad de otorgartrabajo y caudal con altos niveles de presiones. Existen dos tipos, y su diferencia estádada por la posición de los émbolos o pistones

Ø Bomba de pistones axialesØ Bomba de pistones radiales

l

∅

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3.1.8. Bomba de pistones axiales

Al girar el eje, comunica un movimiento circular al bloque de cilindros. Estemovimiento en conjunto con la inclinación de la placa, determina que el pistóndesarrolle internamente en el cilindro un movimiento alternativo que permite eldesarrollo de los procesos de aspiración y descarga.En la primera parte del proceso, los pistones se retraen provocando un aumento devolumen y una disminución de la presión con lo que se genera la aspiración. En lasegunda etapa, los pistones comienzan a entrar y con esto se disminuye el volumen ycomo consecuencia se produce la descarga.

Si fuera posible variar la inclinación de la placa, la bomba será de caudalvariable.

3.1.9. Bomba de pistones radiales

El mecanismo de bombeo de la bomba de pistones radiales consiste en un barrilde cilindros, pistones, un anillo y una válvula de bloqueo.

Este mecanismo es muy similar al de una bomba de paletas, sólo que en vez deusar paletas deslizantes se usan pistones.

El barril de cilindros que aloja los pistones está excéntrico al anillo. Conforme elbarril de cilindros gira, se forma un volumen creciente dentro del barril durante la mitadde la revolución, en la otra mitad, se forma un volumen decreciente. El fluido entra ysale de la bomba a través de la válvula de bloqueo que está en el centro de la bomba.

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3.2. TIPOS DE COMPRESORES

El compresor es una máquina cuyo objetivo es lograr que el aire a la salida deésta tenga un nivel de presión mayor, este propósito lo logrará el compresor al absorberuna determinada cantidad de energía la que finalmente se transformará mediante algúnmecanismo en energía de presión o energía neumática.

El aire comprimido se obtiene por medio de compresores, que son máquinas ca-paces de elevar la presión de una masa de aire hasta el valor conveniente.

Los compresores son, en realidad, generadores de caudal, ya que para lograraumentos de presión es necesaria una relación determinada entre el caudal de entraday el de salida, siendo éste inferior a aquél.

Los compresores no son verdaderos productores de energía, sino transmisoresde la misma, ya que convierten la energía mecánica de su árbol motor en energía depresión.Existen dos procedimientos fundamentales de compresión:

- Compresión volumétrica o Principio de desplazamiento.- Se refiere en este casoal hecho de que el aumento de presión se logra por compresión, es decir, el compresoradmite una cantidad de aire atmosférico y posteriormente reduce su volumen, a causade la reducción del volumen necesariamente se eleva la presión.

- Turbocompresión o Principio dinámico.- El aire, aspirado por el propio sistema,aumenta su velocidad de circulación a través de varias cámaras, impulsado por paletasgiratorias. La energía cinética de éstas se transforma en energía elástica decompresión. A la salida del compresor por la construcción interna de éste, la velocidaddisminuye, disminuyendo también la energía cinética. Esta disminución permite que unaparte de la energía se transforme en energía de presión o neumática.

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3.2.1. Compresor de Pistón

Este compresor funciona en base a un mecanismo de excéntrica que controla elmovimiento alternativo de los pistones en el cilindro. Cuando el pistón hace la carrerade retroceso aumenta el volumen de la cámara por lo que aumenta el volumen de lacámara, por lo que disminuye la presión interna, esto a su vez provoca la apertura de laválvula de admisión permitiendo la entrada de aire al cilindro. Una vez que el pistón hallegado al punto muerto inferior inicia su carrera ascendente, cerrándose la válvula deaspiración y disminuyendo el volumen disponible para el aire, esta situación origina unaumento de presión que finalmente abre la válvula de descarga permitiendo la salidadel aire comprimido ya sea a una segunda etapa o bien al acumulador. Es el compresor mas difundido a nivel industrial, dada su capacidad de trabajaren cualquier rango de presión. Normalmente, se fabrican de una etapa hasta presionesde 5 bar, de dos etapas para presiones de 5 a 10 bar y para presiones mayores, 3 omas etapas. Algunos fabricantes ya están usando tecnología denominada libre de aceite, valedecir, sus compresores no utilizan aceite lo que los hace muy apetecibles para laindustria químico farmacéutica y hospitales

3.2.2. Compresor de Diafragma (Membrana)

El movimiento obtenido del motor, acciona una excéntrica y por su intermedio elconjunto biela – pistón. Esta acción somete a la membrana a un vaivén dedesplazamientos cortos e intermitentes que desarrolla el principio de aspiración ycompresión.

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Debido a que el aire no entra en contacto con elementos lubricados, el airecomprimido resulta de una mayor pureza, por lo que lo hace especialmente aplicable enindustrias alimenticias, farmacéuticas, químicas y hospitales.

3.2.3. Compresor Multicelular (Aletas)

El rotor gira accionado por el eje del motor ubicado en forma excéntrica en elinterior de una carcasa. Este rotor es provisto de un cierto número de aletas que seajustan a la superficie interior de la carcasa por acción de la fuerza centrífuga, formandoverdaderas células o cámaras que aumentan el volumen en una primera etapa. Esteaumento de volumen conlleva una disminución de la presión por lo cual se produce laaspiración de aire desde la atmósfera.

En la otra parte del ciclo las cámaras comienzan a reducir paulatinamente suvolumen con lo cual se logra el aumento de presión.

Tiene la ventaja de generar grandes cantidades de aire pero con vestigios deaceite, por lo que en aquellas empresas en que no es indispensable la esterilidad prestaun gran servicio, al mismo tiempo el aceite pulverizado en el aire lubrica las válvulas yelementos de control y potencia.

3.2.4. Compresor de Tornillo

Los tornillos del tipo helicoidal engranan con sus perfiles y de ese modo se lograreducir el espacio de que dispone el aire. Esta situación genera un aumento de lapresión interna del aire y además por la rotación y el sentido de las hélices esimpulsado hacia el extremo opuesto.

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Los ciclos se traslapan, con lo cual se logra un flujo continuo. A fin de evitar eldesgaste de los tornillos, estos no se tocan entre si, ni tampoco con la carcasa, lo cualobliga a utilizar un mecanismo de transmisión externo que permita sincronizar elmovimiento de ambos elementos.

Entrega caudales y presiones medios altos (600 a 40000m³/h y 25 bar) peromenos presencia de aceite que el de paletas. Ampliamente utilizado en la industria de lamadera, por su limpieza y capacidad.

3.2.5. Compresor Roots

En este tipo de compresores el aire es tomado en la entrada por losdenominados émbolos rotativos y trasladado hasta la descarga, modificandoligeramente el volumen y por lo tanto el nivel de presiones que se alcanza esrelativamente bajo entre 1 y 2 bar.

Como ventaja presenta el hecho que puede proporcionar un gran caudal, lo quelo hace especial para empresas que requieren soplar, mover gran cantidad de aire, suuso es muy limitado.

El accionamiento también se asegura exteriormente, ya que por la forma de loselementos y la acción del roce no es conveniente que los émbolos entren en contacto.

3.2.6. Compresor Axial

El proceso de obtener un aumento de la energía de presión a la salida delcompresor se logra de la siguiente manera. La rotación acelera el fluido en el sentido

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axial comunicándole de esta forma una gran cantidad de energía cinética a la salida delcompresor, y por la forma constructiva, se le ofrece al aire un mayor espacio de modoque obligan a una reducción de la velocidad. Esta reducción se traduce en unadisminución de la energía cinética, lo que se justifica por haberse transformado enenergía de presión.

Con este tipo de compresor se pueden lograr grandes caudales (200.000 a500.000 m³/h) con flujo uniforme pero a presiones relativamente bajas (5 bar).

3.2.7. Compresor Radial

En este caso, el aumento de presión del aire se obtiene utilizando el mismoprincipio anterior, con la diferencia de que en este caso el fluido es impulsado una omás veces en el sentido radial. Por efecto de la rotación, los álabes comunican energíacinética y lo dirigen radialmente hacia fuera, hasta encontrarse con la pared o carcasaque lo retorna al centro, cambiando su dirección. En esta parte del proceso el airedispone de un mayor espacio disminuyendo por tanto la velocidad y la energía cinética,lo que se traduce en la transformación de presión. Este proceso se realiza tres veces enel caso de la figura, por lo cual el compresor es de tres etapas. Se logran grandescaudales pero a presiones también bajas. El flujo obtenido es uniforme.

3.2.8. Accionamiento del compresor

Normalmente la energía mecánica que requiere el compresor se obtiene de unmotor eléctrico dadas las ventajas que presenta utilizar este tipo de energía.Generalmente el motor gira un número de rpm fijo por lo cual se hace necesario regularel movimiento a través de un sistema de transmisión compuesto en la mayoría de loscasos por un sistema de poleas y correas..

Aunque la aplicación anterior es la más difundida y utilizada industrialmente, elelemento de accionamiento también puede ser un motor de combustión interna. Estetipo de energía es especialmente útil para trabajos en terreno en que no se cuenta conelectricidad.

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3.3. TRATAMIENTO DE AIRE

Deben eliminarse todas las impurezas del aire, ya sea antes de su introducciónen la red distribuidora o antes de su utilización. Las impurezas que contiene el airepueden ser:

Ø Sólidas. Polvo atmosférico y partículas del interior de las instalacionesØ Líquidas. Agua y niebla de aceiteØ Gaseosas. Vapor de agua y aceite

Los inconvenientes que estas partículas pueden generar son:

Sólidas. Desgaste y abrasiones, obstrucciones en los conductos pequeños.Líquidas y gaseosas. El aceite que proviene de la lubricación de los compresoresprovoca: formación de partículas carbonases y depósitos gomosos por oxidación ycontaminación del ambiente al descargar las válvulas. Por otro lado el agua en forma devapor provoca: oxidación de tuberías y elementos, disminución de los pasos efectivosde las tuberías y elementos al acumularse las condensaciones, mal acabado enoperaciones de pintura.En la actualidad se ha desarrollado y se está difundiendo cada vez con mayor velocidadlos compresores libre de aceite, especialmente desarrollado para la industria alimenticiay farmacéutica, estos pueden ser del tipo pistón o tornillo, la gran ventaja de estosequipos es la entrega de un aire limpio, de alta pureza, pero siempre necesita unsistema de filtración posterior.

3.3.1. Preparación del aire comprimido

Para garantizar la fiabilidad de un mando neumático es necesario que el airealimentado al sistema tenga un nivel de calidad suficiente. Ello implica considerar lossiguientes factores:

Ø Presión correctaØ Aire secoØ Aire limpio

Si no se acatan estas condiciones, es posible que se originen tiempos másprolongados de inactivación de las máquinas y, además, aumentarán los costos deservicio.

El aire que no ha sido acondicionado debidamente provoca un aumento de lacantidad de fallos y, en consecuencia, disminuye la vida útil de los sistemasneumáticos. Esta circunstancia se manifiesta de las siguientes maneras:

Ø Aumento del desgaste de juntas y de piezas móviles de válvulas ycilindros

Ø Válvulas impregnadas de aceiteØ Suciedad en los silenciadoresØ Corrosión en tubos, válvulas, cilindros y otros componentesØ Lavado de la lubricación de los componentes móviles

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3.3.2. Acumulador

Para estabilizar el aire comprimido se coloca adicionalmente al compresor unacumulador. El acumulador equilibra las oscilaciones de la presión al extraer airecomprimido del sistema. Si en el acumulador cae la presión por debajo de undeterminado valor, entonces el compresor lo llenará hasta alcanzar el valor superior depresión ajustado. Esto tiene la ventaja de que el compresor no tiene que trabajar enfuncionamiento continuo.

La superficie relativamente grande del acumulador provoca un enfriamiento delaire contenido en él. Durante este proceso de enfriamiento se condensa agua que debeser purgada regularmente a través de un grifo.

3.3.3. Secado del aire

El aire comprimido con un contenido demasiado elevado de humedad reduce lavida útil de los sistemas neumáticos. En consecuencia es necesario instalar secadoresde aire con el fin de reducir el contenido de humedad del aire. Para secar el aire puederecurrirse a alguno de los siguientes métodos:

Ø Secador por enfriamientoØ Secado por adsorciónØ Secado por absorción

Los costos adicionales ocasionados por la instalación de un secador de aire sonrápidamente amortizados debido a la disminución de los costos de mantenimiento, portiempos de inactividad menores y por la mayor fiabilidad del sistema.

3.3.4 Secador por enfriamiento

El secador usado con más frecuencia es el secador por enfriamiento. En él, elaire que circula es enfriado en un intercambiador térmico. La humedad contenida en elaire es segregada y recogida en un recipiente.

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3.3.5 Secado por adsorción

Depósito de materias en la superficie de cuerpos sólidos.El agente secador, también denominado gel secador, es un granuladocompuesto principalmente de óxido de silicio.Siempre se utilizan dos unidades de adsorción.

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3.3.6 Secado por absorción

Una materia gaseiforme es fijada por una materia sólida o líquida. El proceso de secado por absorción es un método químico que es utilizado muypocas veces a raíz de los elevados costos de servicio.

Primero, el aire a presión es guiado a través de un filtro para retirar la mayorcantidad de gotas de agua y de aceite posible. Cuando el aire entra en el secador, essometido a un movimiento rotativo al atravesar la cámara de secado, la cual contieneun agente de fundición (masa de secado).Después del secador debe preverse un filtro para captar el polvo arrastrado del agentede absorción.

3.3.7 Distribución del aire

Para que la distribución del aire sea fiable y no cause problemas, es recomen-dable acatar una serie de puntos. Entre ellos, las dimensiones correctas del sistema detuberías son tan importantes como la elección correcta de los materiales, de laresistencia al caudal del aire, así como la configuración del sistema de tuberías y laejecución de los trabajos de mantenimiento.

En todos los conductos se producen pérdidas de presión a raíz de resistencias alflujo, especialmente en zonas de estrechamiento, en ángulos, bifurcaciones yconexiones de tubos. Estas pérdidas tienen que ser compensadas por el compresor. Ladisminución de presión en todo el sistema debería ser la mínima posible.

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3.3.8 Materiales de las tuberías

Los sistemas neumáticos modernos exigen la instalación de tubos que cumplancon determinadas condiciones. Concretamente, los materiales tienen que cumplir con losiguiente:

Ø Bajo nivel de pérdida de presiónØ EstanqueidadØ Resistencia a la corrosiónØ Posibilidad de ampliación

En lo que respecta al uso de materiales de plástico, no solo tiene que tomarse encuenta sus precios, sino que también cabe anotar que con ellos los costos deinstalación son más bajos. Los tubos de plástico pueden unirse al 100% deestanqueidad. Además, las redes de tuberías de plástico pueden ampliarse fácilmente.

Las tuberías de cobre o de acero, por lo contrario, son más baratas, pero paraunirlas hay que soldarlas o utilizar conexiones roscadas. Si estos trabajos no sonllevados a cabo de modo esmerado, bien puede suceder que el sistema seacontaminado con virutas, residuos de soldadura, depósitos de partículas o demateriales de juntas.

Sistema de abastecimiento del aire

Aunque el sistema de evacuación de aire del sistema generador de presión seaeficiente, siempre puede haber residuos de condensado en el sistema de tuberíasdebido a caídas de presión o de la temperatura exterior. Para evacuar ese condensado,todo el sistema debería tener una inclinación de 1 hasta 2% en dirección del flujo deaire. Los puntos de evacuación también pueden instalarse escalonadamente. De estaforma, el condensado puede ser evacuado en los puntos respectivamente más bajos através de un separador de agua.

3.3.9 Tipos de redes

Para realizar la conducción del aire comprimido, existen tres tipos redes que son:Ø Red abiertaØ Red cerrada o anularØ Red cerrada con interconexiones

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La configuración de la red de tuberías es de gran importancia para el funciona-miento económico del sistema, aparte de escoger las dimensiones correctas de lostubos y de optar por una buena calidad de los materiales empleados. El compresorsuministra al sistema aire a presión en ciertos intervalos. Por lo tanto es frecuente queel consumo de aire a presión aumente solo durante un breve plazo. Esta circunstanciapuede provocar condiciones desfavorables en la red de aire a presión. Por lo tanto esrecomendable instalar un circuito anular principal de aire a presión, ya que de ese modose obtiene un nivel de presión relativamente constante.

Para efectuar trabajos de mantenimiento, de reparación y de ampliación de la redsin interferir en la alimentación del aire a presión, es aconsejable segmentar la red porpartes individuales.

Con ese fin deberán instalarse bifurcaciones con conexiones en T y colectorescon acoplamientos enchufables. Los conductos de bifurcación deberían estar equipadoscon válvulas de cierre o con válvulas de bola tipo estándar.

3.4. Unidad preparadora de aire (UPA o FRL)

Es una unidad que acondiciona el aire para su utilización en los elementos detrabajo, es decir, realízale filtrado, drenajes de líquido, reduce la presión al nivelrequerido y lubrican el aire.

Consta de tres elementos básicos que son:

1. Filtro con purga2. Válvula reductora de presión3. Lubricador

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3.4.1. Filtrado del aire comprimido

En los procesos de automatización neumática se tiende cada vez a miniaturizarlos elementos (problemas de espacio), fabricarlos con materiales y procedimientos conlos que se pretende el empleo cada vez menor de los lubricadores. Consecuencia deesto es que cada vez tenga más importancia el conseguir un mayor grado de pureza enel aire comprimido, para lo cual se crea la necesidad de realizar un filtraje que garanticesu utilización. El filtro tiene por misión:

Ø Detener las partículas sólidasØ Eliminar el agua condensada en el aire

Los filtros se fabrican en diferentes modelos y deben tener drenajes accionadosmanualmente, semiautomática o automáticamente.

Los depósitos deben construirse de material irrompible y transparente.Generalmente pueden limpiarse con cualquier detergente.Los filtros de plástico y los vasos no deberán limpiarse con disolventes.

Generalmente trabajan siguiendo el siguiente proceso: El aire entra en el depósito através de un deflector direccional, que le obliga a fluir en forma de remolino.Consecuentemente, la fuerza centrífuga creada arroja las partículas líquidas contra lapared del vaso y éstas se deslizan hacia la parte inferior del mismo, depositándose enla zona de calma. El aire acondicionado de esta manera atraviesa el filtro, en el que sonseparadas las partículas de suciedad restantes que tengan dimensiones superiores alos tamaños de los poros.

La pantalla separadora evita que con las turbulencias del aire retornen lascondensaciones. El aire continúa su trayecto hacia la línea pasando a través del

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elemento filtrante que retiene las impurezas sólidas. Al abrir el grifo son expulsadas alexterior las partículas líquidas y sólidas en suspensión.

Los filtros tienen que ser sustituidos después de cierto tiempo, ya que las partículasde suciedad pueden obturarlos. Si bien es cierto que el efecto de filtración se mantieneincluso si el filtro está sucio, cabe tener en cuenta que un filtro sucio significa unaresistencia mayor al flujo del aire. En consecuencia se produce una mayor caída depresión en el filtro. Los filtros normales tienen poros con dimensiones que oscilan entre5 um y 40 um

El agua no debe pasar del nivel marcado que normalmente traen los elementos,puesto que en la zona turbulenta el agua sería de nuevo arrastrada por el aire.

3.4.2. Regulador de presión

El nivel de la presión del aire comprimido generado por el compresor no esconstante. Las oscilaciones de la presión en las tuberías pueden incidir negativamenteen las características de conmutación de las válvulas, en la velocidad de los cilindros yen la regulación del tiempo de válvulas de estrangulación y de retardo.

En consecuencia, es importante que la presión del aire sea constante para que elequipo neumático no ocasione problemas. Para obtener un nivel constante de lapresión del aire se instalan reguladores de presión en la red de aire a presión con el finde procurar la uniformidad de la presión en el sistema de alimentación de airecomprimido (presión secundaria), independientemente de las oscilaciones que surjanen el circuito principal (presión primaria).

La presión de entrada (presión primaria) siempre tiene que ser mayor que lapresión de salida (presión secundada) en la válvula reguladora de presión. La presiónes regulada mediante una membrana. La presión de salida actúa sobre uno de loslados de la membrana, mientras que por el otro lado actúa un muelle. La fuerza delmuelle puede ajustarse mediante un tornillo.

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Si la presión aumenta en el circuito secundario, por ejemplo al producirse uncambio de cargas en un cilindro, la membrana es presionada contra el muelle, con loque disminuye o se cierra el diámetro del escape en el asiento de la válvula. El asientode la válvula abre y el aire a presión puede salir a través de los taladros de evacuación.

Si disminuye la presión en el circuito secundario, el muelle se encarga de abrir laválvula. En consecuencia, la regulación de la presión de aire en función de una presiónde trabajo ajustada con antelación significa que el asiento de la válvula abre y cierraconstantemente por efecto del volumen de aire que pasa a través de ella. La presión detrabajo es indicada en un instrumento de medición.

El regulador no precisa de mantenimiento, siempre y cuando se haya instaladodelante de él un filtro de aire.

3.4.3. Lubricación del aire a presión

Por lo general la lubricación de aire a presión ya no es necesaria en lasinstalaciones modernas. Solo debería aplicarse puntualmente, sobre todo en la secciónde potencia de una instalación. El aire comprimido en la sección de mando no deberíalubricarse.

En términos generales, no debería lubricarse el aire a presión. No obstante, si laspartes móviles de válvulas y cilindros requiriesen de lubricación, deberá enriquecerse elaire a presión constantemente con una cantidad suficiente de aceite.

La lubricación del aire a presión debería siempre limitarse tan solo a lossegmentos del sistema que necesiten lubricación. El aceite que pasa del compresor alaire a presión no es apropiado para la lubricación de elementos neumáticos.

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Los aceites que se emplean en el lubricador deben cumplir con lo siguiente:Ø Ser muy fluidosØ Contener aditivos antioxidantesØ Contener aditivos antiespumantesØ No perjudicar los materiales de las juntasØ Tener una viscosidad poco variable trabajando entre 20 y 50° CØ No pueden emplearse aceites vegetales ( Forman espuma)

El aire a presión debería contener aceite de lubricación en los siguientes casos:Ø Necesidad de operar con movimientos extremadamente velocesØ Uso de cilindros de grandes diámetros (En este caso, es recomendable

instalar la unidad de lubricación inmediatamente antes del cilindro)

Si la lubricación es demasiado copiosa, pueden surgir los siguientes problemas:Ø Funcionamiento deficiente de elementosØ Mayor contaminación del medio ambienteØ Agarrotamiento de elementos después de períodos de inactivación

prolongados

3.5. ACUMULADORES

Los fluidos usados en los sistemas hidráulicos no pueden ser comprimidos comolos gases y así almacenarse para ser usados en diferentes lugares o a tiemposdistintos.

Un acumulador consiste en un depósito destinado a almacenar una cantidad defluido incompresible y conservarlo a una cierta presión mediante una fuerza externa.

El fluido hidráulico bajo presión entra a las cámaras del acumulador y hace unade estas tres funciones: comprime un resorte, comprime un gas o levanta un peso, yposteriormente cualquier caída de presión en el sistema provoca que el elementoreaccione y fuerce al fluido hacia fuera otra vez.

Los acumuladores, en los cilindros hidráulicos se pueden aplicar como:

Ø Acumulador de energíaØ Antigolpe de arieteØ AntipulsacionesØ Compensador de fugasØ Fuerza auxiliar de emergenciasØ Amortiguador de vibracionesØ Transmisor de energía de un fluido a otro

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3.5.1. Acumulador de contrapeso

El acumulador cargado por peso, ejerce una fuerza sobre el líquido almacenado,por medio de grandes pesos que actúan sobre el pistón o émbolo. Los pesos puedenfabricarse de cualquier material pesado, como hierro, concreto e incluso agua.

Generalmente los acumuladores cargados por peso son de gran tamaño; enalgunos casos su capacidad es de varios cientos de litros. Pueden prestar servicio avarios sistemas hidráulicos al mismo tiempo y usualmente son utilizados en fábricas ysistemas hidráulicos centrales.

Su capacidad para almacenar fluidos a presión relativamente constante, tanto sise encuentran llenos como casi vacíos, representa una ventaja con respecto a otrostipos de acumuladores que no poseen esta característica. La fuerza aplicada por elpeso sobre el líquido es siempre la misma independiente de la cantidad de fluidocontenido en el acumulador.

Una circunstancia desventajosa de los acumuladores cargados por peso es quegeneran sobrepresiones. Cuando se encuentran descargando con rapidez y sedetienen repentinamente, la inercia del peso podría ocasionar variaciones de presiónexcesivas en el sistema. Esto puede producir fugas en las tuberías y accesorios,además de causar la fatiga del metal, lo cual acorta la vida útil de los componentes.

3.5.2. Acumulador cargado por muelle

Pistón

Pesos

Aceite

Pistón

Muelle

Aceite

Orifico de respiración

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En los acumuladores cargados por resorte, la fuerza se aplica al líquidoalmacenado por medio de un pistón sobre el cual actúa un resorte. Suelen ser máspequeños que los cargados por peso y su capacidad es de sólo algunos litros.Usualmente dan servicio a sistemas hidráulicos individuales y operan a baja presión enla mayoría de los casos.

Mientras el líquido se bombea al interior del acumulador, la presión del fluidoalmacenado se determina por la compresión del resorte. Si el pistón se moviese haciaarriba y comprimiera diez pulgadas al resorte, la presión almacenada sería mayor queen el caso de un resorte comprimido tan sólo cuatro pulgadas.

A pesar de los sellos del pistón, cierta cantidad de fluido almacenado podríainfiltrarse al interior de la cámara del resorte del acumulador. Para evitar la acumulaciónde fluido, un orificio de respiración practicado en la cámara permitirá la descarga delfluido cuando sea necesario.

3.5.3. Acumulador de Pistón

Un acumulador de tipo pistón consiste en un cuerpo cilíndrico y un pistón móvilcon sellos elásticos. El gas ocupa el volumen por encima del pistón y se comprimecuando el fluido entra al interior del cuerpo cilíndrico. Al salir el fluido del acumulador lapresión del gas desciende. Una vez que todo el líquido ha sido descargado, el pistónalcanza el final de su carrera y cubre la salida manteniendo el gas dentro delacumulador.

3.5.4. Acumulador de gas no separado

Pistón

Nitrógeno

Aceite

N2

Aceite Gas

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Los acumuladores de gas no separado consisten en un depósito en el que secoloca un volumen de fluido y a continuación se le da la presión al gas. Normalmente seinstalan en circuitos donde el volumen de aceite tiene un máximo y un mínimo dentrodel acumulador.

Este acumulador es sencillo de construcción, económico y se puede realizar paracaudales medianos. Tiene el inconveniente de que existe el peligro de que el gas semezcle con el aceite.

3.5.5. Acumulador de Diafragma

El acumulador de tipo diafragma se compone de dos hemisferios metálicosatornillados juntos, pero cuyo volumen interior se halla separado por un diafragma dehule sintético, el gas ocupa el hemisferio superior. Cuando el fluido entra en el espacioinferior, el gas se comprime. Al descargar todo el líquido, el diafragma desciende hastala salida y mantiene el gas dentro del acumulador.

Este tipo de acumuladores son para caudales relativamente pequeños ypresiones medias.

3.5.6. Acumulador de vejiga

Aceite

Gas Vejiga

Aceite

GasGas

Diafragma

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El acumulador de tipo vejiga se compone de un casco de metal en cuyo interiorse encuentra una vejiga de hule sintético que contiene al gas. Cuando el fluido entra alinterior del casco, el gas en la vejiga se comprime.

La presión disminuye conforme el fluido sale del casco, una vez que todo ellíquido ha sido descargado, la presión del gas intenta empujar la vejiga a través de lasalida del acumulador. Sin embargo, una válvula colocada encima del puerto de salida,interrumpe automáticamente el flujo cuando la vejiga presiona el tapón de la misma.

Observaciones

Ø No cargar nunca un acumulador con oxígeno o con aire.Ø Descargar la presión hidráulica antes de quitar el acumulador.Ø Antes de despiezar el acumulador quitar presión hidráulica y presión de gas

3.6. DEPÓSITO O TANQUE

La función natural de un tanque hidráulico es contener o almacenar el fluido deun sistema hidráulico.

En qué consiste un tanque hidráulico

En un sistema hidráulico industrial, en donde no hay problemas de espacio ypuede considerarse la obtención de un buen diseño, los tanques hidráulicos consistende cuatro paredes (normalmente de acero), un fondo con desnivel, una tapa plana conuna placa para montaje, cuatro patas, líneas de succión, retorno y drenaje; tapón dedrenaje, indicador de nivel de aceite; tapón para llenado y respiración; una cubierta deregistro para limpieza y un tabique separador o placa deflectora.

Aspiración Retorno

Tapa limpieza

Cámara deaspiración Cámara de

retornoTabiqueseparador

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Además de funcionar como un contenedor de fluido, un tanque también sirvepara enfriar el fluido, permitir asentarse a los contaminantes y el escape del aireretenido.

Cuando el fluido regresa al tanque, una placa deflectora bloquea el fluido deretorno para impedir su llegada directamente a la línea de succión. Así se produce unazona tranquila, la cual permite sedimentarse a las partículas grandes de suciedad, queel aire alcance la superficie del fluido y da oportunidad de que el calor se disipe hacialas paredes del tanque.

La desviación del fluido es un aspecto muy importante en la adecuada operacióndel tanque. Por esta razón, todas las líneas que regresan fluido al tanque debencolocarse por debajo del nivel del fluido y en el lado de la placa deflectora opuesto al dela línea de succión.

3.7. FILTROS HDRÁULICOS

Para prolongar la vida útil de los aparatos hidráulicos es de vital importanciaemplear aceites limpios, de buena calidad y no contaminado. La limpieza de los aceitesse puede lograr reteniendo las partículas nocivas o dañinas y efectuando los cambiosde aceite en las fechas y periodos que establecen los fabricantes o que determinan lasespecificaciones técnicas del aceite y/o elementos del circuito.

Los elementos que constituyen contaminantes para el aceite pueden ser entreotros:

Ø AguaØ ÁcidosØ Hilos y fibrasØ Polvo, partículas de junta y pintura

y el elemento que debe retener estos contaminantes es el filtro.

Para evitar que los aceites entren en contacto con elementos contaminantes;puede procurarse lo siguiente:

1. En reparaciones, limpiar profusamente2. limpiar el aceite antes de hacerlo ingresar al sistema3. cambiar el aceite contaminado periódicamente4. contar con un programa de mantención del sistema hidráulico5. cambiar o limpiar los filtros cuando sea necesario

3.7.1. Elementos filtrantes

La función de un filtro mecánico es remover la suciedad de un fluido hidráulico.Esto se hace al forzar la corriente fluida a pasar a través de un elemento filtrante porosoque captura la suciedad.

Los elementos filtrantes se dividen en dos tipos: de profundidad y de superficie.

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Elementos tipo profundidad

Los elementos tipo profundidad obligan al fluido a pasar a través de muchascapas de un material de espesor considerable. La suciedad es atrapada a causa de latrayectoria sinuosa que adopta el fluido.

El papel tratado y los materiales sintéticos son medios porosos comúnmenteusados en elementos de profundidad.

1. Papel micronic. Son de hoja de celulosa tratada y grado de filtración de 5 a 160µ.Los que son de hoja plisada aumenta la superficie filtrante.

2. Filtros de malla de alambre. El elemento filtrante es de malla de un tamiz más omenos grande, normalmente de bronce fosforoso.

3. Filtros de absorción. Así como el agua es retenida por una esponja, el aceiteatraviesa el filtro. Son de algodón, papel y lana de vidrio.

4. Filtros magnéticos. Son filtros caros y no muy empleados; deben ser estosdimensionados convenientemente para que el aceite circule por ellos lo maslentamente posible y cuanto mas cerca de los elementos magnéticos mejor, paraque atraigan las partículas ferrosas

Elementos de tipo superficie

En un elemento filtrante tipo superficie la corriente de fluido tiene unatrayectoria de flujo recta, a través de una capa de material. La suciedad es atrapada enla superficie del elemento que está orientada hacia el flujo del fluido.

La tela de alambre y el metal perforado son tipos comunes de materialesusados en los elementos de superficie.

3.8. Válvulas

Para el control de los órganos de trabajo es preciso disponer de otros elementosque realicen funciones de mando (puesta en marcha, paro, retroceso, avance rápido),de acuerdo con el trabajo que aquéllos deban efectuar. Estos elementos de control sonlas válvulas.

Para tener una visión amplia y completa de las mismas es convenienteestudiarlas desde el punto de vista tecnológico y funcional.

Las válvulas encargadas de distribuir adecuadamente el aire comprimido paraque tenga lugar el avance y el retroceso de los cilindros son las válvulas distribuidoras.Además, existen válvulas de regulación, de bloqueo y de caudal.

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Los sistemas neumáticos e hidráulicos lo constituyen:

Ø Elementos de informaciónØ Órganos de mandoØ Elementos de trabajo

Para el tratamiento de la información y órganos de mando es preciso emplearaparatos que controlen y dirijan el flujo de forma preestablecida, lo que obliga adisponer de una serie de elementos que efectúen las funciones deseadas relativas alcontrol y dirección del flujo del aire comprimido o aceite.

En los principios del automatismo, los elementos reseñados se mandan manual omecánicamente. Cuando por necesidades de trabajo se precisaba efectuar el mando adistancia, se utilizaban elementos de comando por émbolo neumático (servo).

Actualmente, además de los mandos manuales para la actuación de estoselementos, se emplean para el comando procedimientos servo-neumáticos y electro-neumáticos que efectúan en casi su totalidad el tratamiento de la información y de laamplificación de señales.

La gran evolución de la neumática y la hidráulica han hecho, a su vez,evolucionar los procesos para el tratamiento y amplificación de señales, y por tanto, hoyen día se dispone de una gama muy extensa de válvulas y distribuidores que nospermiten elegir el sistema que mejor se adapte a las necesidades.

Hay veces que el comando se realiza neumáticamente o hidráulicamente y otrasnos obliga a recurrir a la electricidad por razones diversas, sobre todo cuando lasdistancias son importantes y no existen circunstancias adversas.

Las válvulas en términos generales, tienen las siguientes misiones:

Ø Distribuir el fluidoØ Regular caudalØ Regular presión

3.8.1. Válvulas distribuidoras

En este grupo pueden establecerse dos categorías básicas según lascaracterísticas del órgano distribuidor; a saber:

♦ Válvulas de asiento. Se caracterizan por tener un recorrido de actuación pequeño ynecesitar gran fuerza de accionamiento. A su vez, estas válvulas se dividen, por laforma del asiento, en otras dos:1. válvulas de asiento plano2. válvulas de asiento cónico

Las primeras llevan un platillo que asienta sobre una superficie plana y lassegundas tienen una bola o semiesfera que ajusta en un avellanado cónico. Tantoen unas como en otras la fuerza de actuación es relativamente considerable porquedebe vencer la acción del muelle y además la presión del aire comprimido. Por elcontrario, un pequeño desplazamiento basta para abrir todo el paso útil de laválvula.

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♦ Válvulas de corredera. Se caracterizan por tener un gran recorrido de actuación ynecesitar una pequeña fuerza de accionamiento. Pueden ser de correderapropiamente dicha y de corredera y cursor, ejecución más moderna y ventajosa quela primera.

Válvula 3/2 NC leva-resorte (de asiento plano)

Válvula de corredera

Válvula de corredera y cursor

Pasaje APasaje B

Cuerpo de laVálvula

Pasaje haciala bomba

Pasaje haciael tanque

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Válvula 3/2 NC Aire-resorte

Válvula 4/3 CC de palanca con enclavamiento

Válvula 5/2 aire-aire

Válvula 5/3 CC aire-aire centrada por resorte/

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Válvula selectora

Válvula de simultaneidad

Válvula reguladora de caudal Bidireccional

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Válvula reguladora de caudal unidereccional

Válvula temporizadora

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3.8.2. Representación de las válvulas distribuidoras

Para ello se recurre a la representación simbólica, sin que esto sea obstáculo paraque en ella se contemple la funcionalidad de la válvula y algunos aspectos de latecnología constructiva empleada.

Las posiciones que adopta el órgano distribuidor (abierta, cerrada, en reposo.serepresentan por cuadrados; tantos como posiciones exista, dibujados uno acontinuación de otro.

Los conductos interiores de las válvulas determinan los orificios de entrada o salidadel aire. Dichos orificios se llaman vías y se representan por pequeños trazos sobre lasbases superiores e inferiores de los cuadrados que indican la posición de reposo. Lasalida de aire se representa por un triángulo equilátero.

Las vías se unen mediante líneas rectas que representan las conducciones interioresque se establecen y el sentido de circulación del aire se define por flechas. Un pequeñotrazo perpendicular a una vía indica que ésta se encuentra cerrada.

El órgano de accionamiento de la válvula suele indicarse en la posición de trabajo yel órgano de recuperación (por ejemplo, muelle) en la de reposo.

3.8.3. Representación esquemática de válvulas

Para representar las válvulas distribuidoras en los esquemas de circuitos seutilizan símbolos, éstos no dan ninguna orientación sobre el método constructivo de laválvula; solamente indican su función.

♦ Las posiciones que puede ocupar una válvula se representan por medio decuadrados.

♦ La cantidad de cuadrados indica la cantidad de posiciones de una válvula

♦ El funcionamiento se representa en el interior de las casillas(cuadrados)♦ Las líneas representan tuberías o conductos♦ Las flechas el sentido de circulación del fluido

♦ Las posiciones de cierre dentro de las casillas se representan mediante líneas en "T"

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3.8.4. Nomenclatura de las válvulas

1.-Las válvulas se identifican por número de vías y por número de posiciones, delmodo siguiente: Ejemplo: 5/2 = Válvula de 5 vías 2 posiciones 3/2 = Válvula de 3 vías 2 posiciones 2/2 = Válvula de 2 vías 2 posiciones 4/3 = Válvula de 4 vías 3 posiciones

2.-Gráficamente el número de cuadrados indica el número de posiciones y elnúmero de puntos en que las líneas internas de una casilla tocan con las líneashorizontales de la misma casilla corresponden al número de vías.Ejemplos:

Válvula 2/2

Válvula 3/2

Válvula 4/2

Válvula 5/2

Válvula 5/3

3.-Los empalmes se designan con letras mayúsculas o números del modo que acontinuación se señalan:

Tipos de vías Letras NúmerosVías o ductos de trabajo A - B - C 2 - 4 - 6

Presión (alimentación de) P 1

Escapes R - S - T 3 - 5 - 7

Ductos de pilotaje X - Y - Z 12 - 14 - 16

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3.8.5. Accionamientos de una válvula

1.-Accionamientos musculares

2.-Accionamientos mecánicos

3.-Accionamientos eléctricos

4.-Accionamiento neumáticos

5.-Accionamiento combinado

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3.9. Actuadores neumáticos

Un actuador o elemento de trabajo transforma la energía en trabajo. La señal desalida es controlada por el mando y el actuador reacciona a dicha señal por acción delos elementos de maniobra. Los actuadores neumáticos pueden clasificarse en dos grupos según elmovimiento, si es lineal o giratorio:

Movimiento rectilíneo(movimiento lineal)♦ Cilindro de simple efecto♦ Cilindro de doble efecto

Movimiento giratorio♦ Motor neumático♦ Actuador giratorio♦ Accionamiento oscilante

3.9.1. Cilindro de simple efecto, retorno por muelle

Los cilindros de simple efecto reciben aire a presión sólo en un lado. Estoscilindros sólo pueden ejecutar el trabajo en un sentido. El retroceso está a cargo de unmuelle incluido en el cilindro o se produce por el efecto de una carga externa. La fuerzadel muelle hace retroceder el vástago del cilindro a suficiente velocidad, pero sin que elcilindro pueda soportar una carga

En los cilindros de simple efecto con muelle de reposición, la carrera estádefinida por la longitud del muelle. en consecuencia, los cilindros de simple efectotienen una longitud máxima de aproximadamente 80 mm.

Por su diseño, los cilindros de simple efecto pueden ejecutar diversas funcionesde movimientos denominados de alimentación, tales como los que se mencionan acontinuación:

♦ Entregar♦ Bifurcar♦ Juntar

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♦ Accionar♦ Fijar♦ Expulsar

Los cilindros de simple efecto están equipados con una junta simple en el émbolo,en el lado sometido a presión. La estanqueidad de los cilindros de metal o plástico selogra utilizando un material flexible (Perbunán). Los bordes de la junta se deslizan a lolargo de la camisa del cilindro cuando éste ejecuta los movimientos.

Los cilindros de simple efecto también pueden ser de los siguientes tipos:

♦ Cilindros de membrana .♦ Cilindros de membrana enrollable

3.9.2. Cilindro de simple efecto, de membrana

En los cilindros de membrana, una membrana de goma, de plástico o de metalhace las veces de émbolo. El vástago está fijado en el centro de la membrana. Estoscilindros de carrera corta son utilizados para ejecutar trabajos de fijación, prensado yelevación.

3.9.3. Cilindros de doble efecto

El diseño de estos cilindros es similar al de los cilindros de simple efecto. Noobstante, los cilindros de doble efecto no llevan muelle de reposición y, además, las dosconexiones son utilizadas correspondientemente para la alimentación y la evacuacióndel aire a presión. Los cilindros de doble efecto ofrecen la ventaja de poder ejecutartrabajos en ambos sentidos. Se trata, por lo tanto, de cilindros sumamente versátiles. Lafuerza ejercida sobre el vástago es algo mayor en el movimiento de avance que en elde retroceso porque la superficie en el lado del émbolo es más grande que en el ladodel vástago.

Los cilindros de doble efecto tienen las siguientes aplicaciones y su desarrollomanifiesta tener las siguientes tendencias:

♦ Detección sin contacto - Utilización de imanes en el lado del vástago para activarcontactos

♦ Frenado de cargas pesadas♦ Uso de cilindros sin vástago en espacios reducidos

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♦ Uso de materiales diferentes, como por ejemplo plástico♦ Recubrimiento protector contra daños ocasionados por el medio ambiente (por

ejemplo, recubrimiento resistente a los ácidos)♦ Mayor resistencia♦ Aplicaciones en la robótica con características especiales, tales como vástagos

huecos para uso de ventosas.

3.9.4. Cilindro de doble efecto con amortiguación

Si un cilindro tiene la función de mover grandes masas, los amortiguadores definal de carrera se encargan de evitar un golpe seco y, por tanto, un daño de loscilindros. Un émbolo amortiguador interrumpe la evacuación directa del aire haciaafuera

antes de que el cilindro llegue a su posición de final de carrera. En vez de ello, quedaabierta una salida pequeña que por lo general es regulable.

La velocidad del cilindro es reducida en la última parte del movimiento deretroceso. Deberá procurarse que los tornillos de ajuste nunca estén totalmentecerrados, ya que de lo contrario el vástago no podrá alcanzar su posición de final decarrera.

Si las fuerzas son muy elevadas y si la aceleración es considerable, deberánadoptarse medidas adicionales para solucionar el problema.Concretamente, pueden instalarse amortiguadores externos para aumentar el efecto defrenado.

Forma correcta de frenar:♦ Cerrar completamente el tomillo de ajuste.♦ Abrir paulatinamente el tornillo de ajuste hasta que se alcance el valor deseado.

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3.9.5. Cilindro tandem

Se trata de un conjunto de dos cilindros de doble efecto. Su diseño y la aplica-ción simultánea de presión en ambos émbolos permiten casi duplicar la fuerza delvástago. Este tipo de cilindro es utilizado en todos los casos en los que es necesariodisponer de una gran fuerza y no se dispone del espacio suficiente para un diámetrogrande del cilindro.

3.9.6. Cilindro de doble efecto doble vástago

Este cilindro tiene hacia ambos lados un vástago. El vástago es continuo. Laguía del vástago es mejor, ya que dispone de dos cojinetes. En ambos sentidos demovimiento la fuerza es igual de potente.

El vástago continuo puede ser hueco. De este modo puede aplicarse para elpaso de distintos medios, p.ej. aire a presión. También es posible una conexión devacío.

3.9.7. Cilindro de impacto

Las fuerzas de presión de los cilindros neumáticos están limitadas. Un cilindropara elevadas energías cinéticas es el cilindro de impacto. La elevada energía cinéticase alcanza aumentando la velocidad del émbolo. La velocidad del émbolo del cilindro deimpacto está entre 7,5 m/s y 10 m/s. Pero la velocidad disminuye rápidamente en casode grandes recorridos. Por consiguiente, el cilindro de impacto no es apropiado paragrandes carreras.

Mediante la activación de una válvula se forma presión en la cámara A. Si elcilindro se mueve en dirección Z, queda libre toda la superficie del émbolo. A

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continuación el aire de la cámara A podrá circular rápidamente a través de la gransección transversal C. El émbolo es fuertemente acelerado.

3.9.8. Cilindro multiposicional

El cilindro multiposicional está compuesto de dos o varios cilindros de dobleefecto. Los cilindros están unidos entre sí. Los distintos cilindros avanzan según laimpulsión de aire a presión que reciben. Con dos cilindros de distinta carrera seobtienen cuatro posiciones

3.9.9. Cilindro giratorio

En esta ejecución de cilindros de doble efecto el vástago dispone de un perfildentado. El vástago acciona una rueda dentada, de un movimiento lineal resulta unmovimiento giratorio. Los márgenes de giro son distintos, desde 45º, 90º, 180º, 270ºhasta 360º. El par de giro depende de la presión, la superficie del émbolo y latransmisión.

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3.9.10. Cilindros sin vástago

Para la construcción de cilindros sin vástago se aplican tres principios defuncionamiento distintos:

♦ Cilindro de cinta o de cable♦ Cilindro de cinta selladora con camisa ranurada♦ Cilindro con acoplamiento magnético del carro

En comparación con los cilindros de doble efecto habituales, los cilindros sinvástago ofrecen una longitud de montaje más corta. Se elimina el riesgo de torsión delvástago y el movimiento puede realizarse a lo largo de toda la longitud de carrera. Estetipo de cilindros es utilizado principalmente para carreras extremadamente largas dehasta 10 m. En la superficie del carro pueden montarse directamente diversos equipos,cargas y otros. La fuerza es la misma en ambos sentidos de movimiento.

3.9.11. Cilindro de cinta

En los cilindros de cinta la fuerza del émbolo es transmitida mediante una cintarotativa. Al salir de la cámara del émbolo la cinta pasa por una junta. En las culatas delos cilindros la cinta cambia de dirección a través de rodillos guías. Los separadores desuciedad evitarán que lleguen impurezas a través de las cintas a los rodillos guía.

3.9.12 Cilindro con acoplamiento magnético

Este accionamiento lineal neumático de doble efecto está compuesto de unacamisa, un émbolo y un carro exterior móvil montado sobre el cilindro. El émbolo y elcarro exterior están provistos de imanes permanentes. La transmisión del movimientodel émbolo hacia el carro se efectúa con la misma fuerza mediante el acoplamientomagnético. En el momento en que el émbolo es sometido a presión, el carro sedesplaza de modo sincronizado en relación con el émbolo. La camisa del cilindro estáherméticamente cerrada en relación con el carro, puesto que entre los dos no existeconexión mecánica alguna. En consecuencia, tampoco es posible que se produzcanfugas.

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3.10. Estructura de los cilindros

El cilindro está compuesto de una camisa, de las culatas del fondo y de cojinete,del émbolo con la junta (retén doble), del vástago, de los casquillos de cojinete, delanillo rascador, de las piezas de unión y de las juntas.

La camisa del cilindro (1) suele ser en la mayoría de los casos de una sola piezade acero estirado sin costura de soldadura. Las superficies interiores del cilindro suelenser sometidas a un proceso de mecanizado fino (bruñido) con el fin de aumentar la vidaútil de los elementos estanqueizantes. Para ciertas aplicaciones, la camisa del cilindrotambién puede ser de aluminio, de latón o de tubo de acero con superficie interiorcromada. Estas versiones especiales son utilizadas si se trata de cilindros que no sonaccionados con demasiada frecuencia o si están expuestos a corrosión.

Las culatas trasera (2) y delantera (3) suelen ser de material fundido (aluminio ofundición maleable). Las sujeciones de ambas culatas a la camisa del cilindro puedeefectuarse mediante barras, roscas o bridas.

En la mayoría de los casos, el vástago (4) es de acero inoxidable. Las roscassuelen ser laminadas con el fin de disminuir el peligro de rotura.

Con el fin de estanqueizar el vástago, la culata correspondiente está provista deuna ranura anular (5). El vástago es guiado por el casquillo de cojinete (6), que es debronce sinterizado o de material plástico.

Delante del casquillo de cojinete está situado el anillo rascador (7), mediante elcual se evita que penetren partículas de polvo o de suciedad en la cámara del cilindro.En consecuencia no es necesario instalar un guardapolvo.Materiales utilizados en el retén (8):

Perbunán para -20ºC hasta + 80ºCVitón para -20ºC hasta + 150ºCTeflón para -80ºC hasta + 200ºC

Las juntas tóricas (9) se encargan de la estanqueidad estática.

Fig.Nº25.-Sección de un cilindro con doble amortiguación