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SistemasHidrulicosdeTransmisindePotencia
ndicedecontenidos:
1Introduccin
1.1Fundamentos
1.2Ventajaseinconvenientes
2Componentesdelsistema
2.1Fluidohidrulico
2.2Depsitohidrulico
2.3Filtros
2.4Bombahidrulica
2.5Cilindroactuador
2.6Tuberashidrulicas
2.7Vlvulas
3Procedimientodeclculo
3.1Clculodelcilindrohidrulico
3.2Clculodelastuberas
ANEXOS:
A.1SmbolosHidrulicos
A.2CodificacindelosCilindrosHidrulicos
CATLOGOSDEPRODUCTOSYESPECIFICACIONESTCNICAS:
Cilindroshidrulicosdesimpleydobleefecto,cilindrosparaelvolteodearado,tercerpunto,piehidrulico,brazolateral...
Bombashidrulicasmanualesdesimpleydobleefecto,depsitosparaaceitehidrulico,palancasdeaccionamientodelabomba...
Vlvulashidrulicas,detipoelectrovlvulasyvlvulasenlnea
Distribuidores
Motoreshidrulicos
Manguerasyracores
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Mircoles,22deJuliode2015
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v2+P+gz=constante
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1Introduccin
1.1Fundamentos
Losfundamentosdelahidrulicasebasanendosprincipiosfundamentalesdelafsica,asaber:
PrincipiodePascal:elcualexpresaquelapresinqueejerceunfluidoincompresibleyenequilibriodentrodeunrecipientedeparedesindeformablessetransmiteconigualintensidadentodaslasdireccionesyentodoslospuntosdelfluido.
PrincipiodeBernoulli:exponequeenunfluidoideal(sinviscosidadnirozamiento)enrgimendecirculacinporunconductocerrado,laenergaqueposeeelfluidopermanececonstantealolargodesurecorrido.
Laenergadeunfluidoencualquiermomentoconstadetrescomponentes:cintica(queeslaenergadebidaalavelocidadqueposeeelfluido),potencialogravitacional(queeslaenergadebidoalaaltituddelfluido),yunaenergaquepodramosllamarde"flujo"(queeslaenergaqueunfluidocontienedebidoasupresin).
Enlasiguienteecuacin,conocidacomo"EcuacindeBernoulli"expresamatemticamenteesteconcepto:
siendo,
vlavelocidaddelfluidoenlaseccinconsiderada
ladensidaddelfluido
Peslapresindelfluidoalolargodelalneadeflujo
glaacelaracindelagravedad
zlaalturaenladireccindelagravedaddesdeunacotadereferencia.
Lossistemashidrulicos,objetodeestudiodeestetutorial,constituyenunadelasformastecnolgicasqueactualmenteempleamosparalatransmisindepotenciaenmquinas.Todosistemahidrulicoestcompuestodelossiguienteselementosprincipales:
Undepsitoacumuladordelfluidohidrulico
Unabomba impulsora, que aspirandoel fluido desdeel depsito crea
el flujo en el circuitohidrulico
Vlvuladecontrolquepermitecontrolarladireccindemovimientodelfluido
Actuadoropistnhidrulico,quepuedeserdesimpleodobleefecto,siendoelelementoquetransmitelafuerzafinal
Reddeconductosporelquecirculaelfluidodesdelabombahastalosactuadoresyretornaaldepsitoacumulador
Filtrosdelimpiezadelfluidohidrulico
Vlvuladealivio,queproporcionaunasalidaalsistemaencasodeproducirseunaumentoexcesivodelapresindelfluidodentrodelcircuito.
1.2Ventajaseinconvenientes
Acontinuacinseexponenalgunasventajaseinconvenientesdelossistemashidrulicosfrenteaotrossistemasconvencionalesdetransmisindepotencia:
a)Ventajas:
Lossistemashidrulicospermitendesarrollarelevadosratiosdefuerzaconelempleodesistemasmuycompactos.
Permitenlaregulacincontinuadelasfuerzasquesetransmiten,noexistiendoriesgodecalentamientoporsobrecargas.
Sonelementosmuy
flexiblesyquepuedenadaptarseacualquiergeometra,graciasa la
flexibilidadde
losconductosqueconducenelaceitehidrulicohastalosactuadores.
Los actuadores o cilindros hidrulicos sonelementos reversibles,
quepuedenactuar en unou otro sentido y
queademspermitensufrenadaenmarcha.Ademssonelementosseguros,haciendoposiblesuenclavamientoencasodeproducirseunaaveraofugadelfluidohidrulico.
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b)Inconvenientes:
Labajavelocidaddeaccionamientodelosactuadoresopistoneshidrulicos.
Laaltapresindetrabajoexigelaboresdemantenimientopreventivos(vigilanciadeposiblesfugasenlasjuntas).
Sistemanomuylimpio,debidoalapresenciadeaceitesofluidoshidrulicos.
Engeneral,esunsistemamscaroqueotros,porejemplolossistemasdeairecomprimido.
2Componentesdelsistema
2.1Fluidohidrulico
Paraqueunfluidopuedaserempleadocomo
lquidodelcircuitodeunsistemahidrulico,stedeberpresentar
lassiguientespropiedades:
Serunfluidoincompresibleparaunrangoampliodepresiones
Ofrecerunabuenacapacidaddelubricacinenmetalesygomas
Buenaviscosidadconunaltopuntodeebullicin ybajopuntode congelacin
(el rangode trabajodebeoscilarentre70Chasta+80C)
Presentarunpuntodeautoignicinsuperior,almenosalos100C
Noserinflamable
Serqumicamenteinerteynocorrosivo
Serunbuendisipadordecalor,alfuncionartambincomorefrigerantedelsistema
Presentarbuenascondicionesencuantoasualmacenamientoymanipulacin.
Losfluidoshidrulicospresentesenelmercadosepuedenagrupar,engeneral,entresgrandesgrupos:
1Fluidossintticosdebaseacuosa:sonresistentesalainflamacin.Asuvez,sesubdividenendostipos:
Emulsionesdeaguayaceite.Enestetipodefluidos,ademsdelaceitedebasemineralemulsionableseempleanaditivosqueleconfierenpropiedadesantioxidantes,antidesgaste,etc.
Solucionesdeaguaglicol.Mezclasde40%glicoly60%agua,msaditivosespeciales.
2Fluidossintticosnoacuosos:soncompuestossintticosorgnicos(fosfatossteressimplesoclorados,hidrocarburoscloradosysilicatossteres).Soncaros,peropresentanunpuntodeinflamacinmuyalto.
3Aceitesmineralesosintticos:sonhidrocarburosextradosdelpetrleoalosqueseleaadenaditivosqumicos,quelesconfiereunasbuenasprestacionesauncosterelativamentebajo.Sonlosmsusadoscomercialmente.
La formade denominar a los fluidos hidrulicos est regulada segn
la normaDIN51524 y 51525.As, los fluidos
hidrulicossiguiendoestanormativasedenominan todoscon la letraH a
laquese leaadenotras letras,para indicarel
tipodeaditivosopropiedadesdelfluido.Acontinuacin,semuestraladesignacindelosfluidoshidrulicossegnsutipo:
Aceitesmineralesosintticos:
HH:sisetratadeunaceitemineralsinaditivos
HL:sisetratadeunaceitemineralconpropiedadesantioxidantesyanticorrosivas
HP(HLP):aceitetipoHLconaditivosquemejoranlaresistenciaacargas
HM(HLM):aceitemineraltipoHLqueincluyeademsaditivosantidesgaste
HV:aceitetipoHMqueademsincorporaaditivosquemejoransundicedeviscosidad.
En ocasiones, a las siglas anteriores se les agrega un nmero que
indica el coeficiente de viscosidad segn DIN
51517(clasificacindeviscosidadsegnISO).Ejemplo,HLP68,queindica:
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ISOGradosdeviscosidad
Viscosidadcinemtica(mm2/s)a40C
Mn. Mx.
ISOVG10 9,0 11,0
ISOVG22 19,8 24,2
ISOVG32 28,8 35,2
ISOVG46 41,4 50,6
ISOVG68 61,2 74,8
ISPVG100 90,0 110,0
H:setratadeaceitehidrulico
L:conaditivosparaproteccinanticorrosivas,conpropiedadesantioxidantes
P:poseeaditivosquemejoralacarga
68:cdigodeviscosidad,segnDIN51517.
Fluidossintticosdebaseacuosa:
HFA:emulsindeaceiteenagua(contenidodeagua:8098%)
HFB:emulsindeaguaenaceite(contenidodeagua:40%)
HFC:solucindepoliglicoles(contenidodeagua:3555%)
HFD:lquidosanhdricos(contenidodeagua:00,1%).
Fluidossintticosnoacuosos:
HFDR:aceiteabasedeesterfosfatos
HFDS:aceiteabasedehidrocarburoshalogenados
HFDT:aceiteabasedemezcladelosanteriores.
Porotrolado,lapropiedadquemsdistingueunfluidohidrulicodeotroeslamedidadesuviscosidad.LanormaDIN51524definelossiguientesgradosparalallamadaviscosidadcinemtica,segnlatablasiguiente:
Tabla1.GradosdeviscosidadISO
Decirquelaviscosidadcinemticaeselcocienteentrelaviscosidadabsolutayladensidaddelfluido.EnelS.I.suunidadeselm2/s,mientrasqueenelsistemaC.G.S.suunidadeselcm2/s,quesedenominastokes(St).
Porotrolado,launidadenelS.I.delaviscosidaddinmicaoabsolutaeselkg/(ms)Pas.EnelsistemaC.G.S.,launidaddelaviscosidadabsolutaesg/(cms),quesedenominapoise(P).
LaviscosidaddelaceitelubricanteseexpresaconunnmeroSAE,definidoporlaSocietyofAutomotiveEngineers.LosnmerosSAEestndefinidoscomo:5W,10W,20W,30W,40W,etc.EnlasiguientetablaseindicalacorrelacinSAEISO:
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Viscosidadcinemtica(mm2/s)
Lmiteinferior 10
Rangoidealdeviscosidad de15a100
Lmitesuperior 750
GradosdeFiltracin,enm TipodeSistemaHidrulico
Tabla2.CorrelacinentregradosdeviscosidadSAEISO
Todoslosaceiteslubricantesseadelgazancuandosutemperaturaaumentayporelcontrario,seespesancuandosutemperaturadisminuye.Silaviscosidaddeunaceitelubricanteesmuybaja,habrunexcesivoescapeporlasjuntasylossellos.Silaviscosidaddelaceitelubricanteesmuyalta,elaceitetiendea"pegarse"ysenecesitarmayorfuerzaparabombearloatravsdelsistema.Seadjuntaunatablaconlosrangospermitidosdeviscosidadparalosfluidoshidrulicos.
Tabla3.Rangodevaloresdelaviscosidadcinemtica
2.2Depsitohidrulico
Eldepsitootambinllamadotanquehidrulico,cumpleconvariasfunciones:
Ademsdeservir,comousomsinmediato,dedispositivopordondeserealizaelllenadoyvaciadodefluidohidrulico,sirvetambincomodepsitopulmndesdedondeserealizalaaspiracinporpartedelabomba.
Sirvetambincomoelementodisipadordecaloratravsdelasparedesdeltanque,refrigerandoaselaceitecontenidoensuinterior.Paraello,esnecesarioqueelaceitetengauntiempoderesidenciamnimoenelinteriordeltanquedealmenos12minutos.Asenfuncindelcaudaldelabomba,sepodradisearelvolumendeltanque.Enefecto,paraunabombaconuncaudaldediseo,porejemplo,de10l/min,harafaltauntanqueconcapacidaddealmenos20litros.
Alservircomodepsitoderemansodelaceite,seusatambinparaladeposicinenelfondodepartculasycontaminantesquesepuedanarrastrardelcircuitohidrulico,evitndoseasquevuelvanarecircular.
Adems,paraaumentareltiempoderesidenciadelaceiteeneltanque,secolocanensuinteriorunosdeflectoresquesirvenparadirigirlacirculacindelaceiteporelinteriordeltanque.Conelloseconsiguemayortiempodeestanciadelaceiteeneldepsito,ydalugar
paraque los contaminantes sedepositenenel fondodel tanque, ademsde
favorecer la evaporacindel
aguaquepuedacontenerelaceitedisueltoylaseparacindelaire.
Parauncircuitohidrulicosepuedenfabricardostiposdetanques:presurizadosyventilados.
Los presurizados estn sellados, evitndose as que penetre la
suciedad y la humedaden
suinterior.Lapresininternaquesegeneraamedidaquesecalientaelfluidohidrulicotambinsirveparaempujarelaceitehacia
labomba,evitandoqueseproduzca lacavitacinde
lamisma.Noobstante,comomedidadeseguridadsedebeinstalarunavlvulahidrulicadealivio,queseutilizaparaevitarquesepuedaalcanzarunexcesodepresinamedidaqueelaceitesecalienta,yquepudieraexcederlaseguridaddeltanque.
Porotro lado, los tanquesventilados,alestarabiertosa
laatmsfera,permitenquehayacompensacindepresincuandoseproducencambiosenlosnivelesoenlatemperaturadelaceite,ynonecesitandevlvuladealivio.
SeadjuntalasimbologaISOdelostanqueshidrulicos,segneltipo:
Figura3.Esquemaderepresentacindeuntanquehidrulico
2.3Filtros
La filtracin del fluido hidrulico es necesaria para evitar que
la suciedad producida por el funcionamiento normal del
sistematermineafectandoaelementossensiblesdelainstalacin,comopuedanser,vlvulasolapropiabombahidrulica.
Enlasiguientetablaserecogenlosdistintosgradosdefiltracinexigidos,segnlaaplicacindelsistemahidrulico.
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12 Para impurezas finas en sistemas altamente sensibles con gran
fiabilidad,preferentementeenaviacinylaboratorios.
25 Para sistemas demando y control sensibles y de alta presin,
con
aplicacionesfrecuentesenlaaviacin,robotsindustrialesymquinasherramientas.
510
Parasistemashidrulicosdealtacalidadyfiabilidad,conprevisiblelargavidatildesuscomponentes.
1020 Para hidrulica general y sistemas hidrulicos mviles, que
manejen presionesmedianasytamaosintermedios.
1525
Parasistemasdebajapresinenlaindustriapesadaoparasistemasdevidatillimitada.2040
Parasistemasdebajapresinconholgurasgrandes.
Tabla4.Gradosdefiltracinyaplicaciones
Cualquier filtro estar compuesto de una carcasa exterior o
envolvente, que contendr en su interior el material
filtrante.Adicionalmente,dispondrdeunavlvuladebypass,
tipoantirretorno,queseabrircuandoelmaterial
filtranteestcolmado,demaneraquepermitaunbypassopasodelflujodelfluidohidrulicoevitandoasqueelcircuitosecolpaseporculpadelatascoenelfiltro.
Figura4.Esquemaysmbolodefiltrohidrulico
Unfiltropuedeocupardiversasposicionesdentrodelcircuitohidrulico,ofreciendoprestacionesmuydiversassegnseexplicaacontinuacin:
Filtrosituadoenlaaspiracindelabomba:eslamejorposicinsiloquesepretendeesprotegeralabomba.Noobstante,aumentaelriesgoqueseproduzcacavitacinensuaspiracindebidoalaprdidadecargaqueseoriginaenelfluidoporsupasoporelfiltro.Porello,sisecolocaelfiltroenestaposicin,stedebeserdeuntipoqueofrezcapocaprdidadecargalocalizada,comopuedanserlosdetipodemallasmetlicasylosfiltrosdesuperficieconhuecosdetamaogrande.Evidentemente,estosetraducequeelgradodefiltracinconseguidanoseamuybuena.El
tamaode laspartculasfiltradascolocandoel
filtroenestaposicinsonrelativamentegrandes,encontrndoseenelrangodelos50a100m.
Figura5.Filtradoenlaaspiracin
Filtrosituadoenelconductodeimpulsin:dadasusituacin,enlasalidadelabomba,sesitaenlalneadealtapresin.Estocondicionaquelosfiltrosassituadosrequierandeunamayorrobustez.Noobstante,enestaposicinseconsiguenfiltradosmsexigentes,estandoeltamaodelaspartculasretenidasenelrangodelos10a25m.
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Elementohidrulico Posicinrecomendadadelfiltro
Gradodefiltracin,enm
BombadembolosaxialesLneaderetornoy/olneadepresin 25
Lneadebajapresin 25
Bombas de engranajes y mbolosradiales Lneaderetorno 63
Vlvulasdistribuidoras,depresin,decaudalycierrecilindros
Lneadeaspiracin 63
Motoreshidrulicos Lneaderetorno 25
Figura6.Filtradoenlaimpulsin
Filtroenelcircuitoderetornoaldepsito:adiferenciadeloscasosanteriores,colocandoelfiltroenlatuberaderetornoaldepsitoseevitanlosproblemasderesistenciaalapresin,olosriesgosdecavitacinenlaaspiracindelabomba.Paraestaposicin,eltamaodelaspartculasqueseconsiguefiltrarseencuentraentre25y30m.
Figura7.Filtradoenelretorno
Filtrosituadoencircuitoindependiente:Paracircuitosconaltasexigencias,elfiltrosepuedesituarenuncircuitoindependientequetambinrealicelaboresderefrigeracindelfluidohidrulico.
Figura8.Filtradoencircuitoindependiente
Acontinuacinseincluyeunatabladondeseindicanlosgradosdefiltracinylaposicinrecomendadaparasituarelfiltro,segneltipodecomponenteoelementohidrulicoconsiderado.
Tabla5.Gradosdefiltracinyposicionesdelfiltro
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V= (De2Di2)A 4
2.4Bombahidrulica
Labombahidrulicaeselcomponentequegeneraelflujodentrodelcircuitohidrulico,yestdefinidaporlacapacidaddecaudalqueescapazdegenerar,comoejemplo,galonesporminuto,litrosporminuto,ocentmetroscbicosporrevolucin.Haydosgrandesgruposdebombas:rotativasyalternativas.
A)Bombasrotativas:
Dentrodelafamiliadebombasrotativas,seencuentranlossiguientestipos:
Bombas de engranajes: Las bombas de engranajes son compactas,
relativamente econmicas y tienen pocas
piezasmviles,loquelesconfieretenerunbuenrendimiento.
Figura9.Bombadeengranaje.Principiodefuncionamiento
Lacilindrada(V)deunabombadeengranajeseobtieneapartirdelasiguienteexpresin:
siendo,DeyDilosdimetrosdepuntaydebasedeldientedelengranajeyAeselanchodelacarcasadelabomba.
Bombaslobulares:sonbastantesemejantesa
lasdeengranajes,peroconunnmerodedientesmenoryconrangosdefuncionamientomenores.Normalmenteseutilizanparaincrementosdepresionesbajasdondepuedehaberproblemasdeerosinenlosdientessiseemplearaunabombadeengranajes.
Figura10.Bombahidrulicadetipolobular
Bombasdepaletas:bsicamenteconstandeunrotor,paletasdeslizantesyunacarcasa.Sedividenendosgrandestipos,compensadasynocompensadas.
En lasbombasdepaletasnocompensadascuandoel rotorgiradesplaza
laspaletashacia fueradebidoa la
fuerzacentrfuga,haciendocontactoconelanillo,olacarcasa,porloqueseformaunsellopositivo.Elfluidoenestetipodebombasentrayvallenandolaporcindevolumenmayorquesegeneraconelhuecodejadoporelrotordescentradodentrodelacarcasa.Algirarentoncessegeneraunafuerzaqueempujaelfluidohaciaafuera.Sedenominandepaletasnocompensadasporqueunamitaddelmecanismodebombeoseencuentraaunapresininferioralaatmosfrica,mientrasquelaotramitadestarsometidaalapresindetrabajopropiadelsistema.
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V= D2CZ 4
V= eD2Z 2
Figura11.Esquemadeunabombadepaletas
Paraequilibrarlosesfuerzosdentrodelabombasedesarrollaronlasllamadasbombasdepaletascompensadas.Enestetiposecambialaformacirculardelacarcasaporotraformageomtricaenformadeleva,queconsigueequilibrarlaspresionesinteriores.
B)Bombashidrulicasalternativas:
Bombasdembolosopistones:enestetipodebombasseconvierteelmovimientogiratoriodeentradadeunejeenunmovimientodesalidaaxial
del pistn.Sonun tipodebombaspor logeneral, deconstruccinmuy
robustasyadecuadasparapresionesycaudalesaltos.Surendimientovolumtricotambinesalto.
Sepuedendistinguirtrestiposdebombasdepistones:
1.Pistonesenlnea:tienenunaconstruccinmuysimpleyelrendimientoquesoncapacesdeobtenerpuedellegaral97%.
Elclculodelacilindrada(V)deunabombadepistonesenlneaseobtieneapartirdelasiguienteexpresin:
siendo,Clacarreradelpistn,DeseldimetrodecadapistnyZeselnmerodepistones.
2.Bombasdepistonesradiales:enestetiposepuedetambinregularelcaudaldecadapistn.Sucilindradapuedeserfijaovariable,yelrendimientopuedellegaraserdeun99%.
Bombadepistonesradiales
>>AccederaCatlogosdebombasdepistonesradiales
Elclculodelacilindrada(V)deunabombadepistonesradialesseobtieneapartirdelasiguienteexpresin:
siendo,eeslaexcentricidad(odobledelacarrera),DeseldimetrodecadapistnyZeselnmerodepistones.
3.Bombas de pistones axiales: tambin pueden ser de cilindrada
fija o variable. En las que son de caudal variable,
puedenautorregularse.
http://hawe.cohimar.com/bombas.pdf
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V= Dp2ZDmtg 4
Bombadepistonesaxiales
Lacilindrada(V)deunabombadepistonesaxialesseobtieneapartirdelasiguienteexpresin:
siendo,Dpeldimetrodecadapistn,Zeselnmerodepistones,Dmeldimetrodelamquinayeselngulodeinclinacindeleje(quepuedeserfijosilamquinaesdeejerecto,ovariablesisetratadeunamquinaconsistemadeinclinacindeleje).
>>AccederaCatlogosdeBombasaxialesdecaudalvariable
Bombasdediafragma:enestetipodebombaselflujoseconsigueporelempujedeunasparedeselsticas,demembranaodiafragma,quevaranelvolumendelacmara,aumentndoloydisminuyndoloalternativamente.
Enlasiguientetablaseresumenlosdistintosrangosdetrabajodealgunosdelostiposdebombashidrulicasmsempleadas:
Tabla6.Rangosdetrabajosparalasbombashidrulicas
2.5Cilindroactuador
Elcilindroactuadoreselelementofinalquetransmitelaenergamecnicaoempujealacargaquesedeseemoverodesplazar.Aunquehayactuadoresdetiporotativo,losmsconocidossonloscilindroslineales.
Loscilindroslinealespuedenserdesimpleodedobleefecto.Enloscilindrosdesimpleefectoelaceiteentrasloporunladodelmbolo,porloqueslopuedetransmitiresfuerzoenunsentido.Elretrocesoseconsigueobienporelpesopropiodelcilindro,bienporlaaccindeunmuelleoporunafuerzaexterior(ejemplo,lapropiacargaqueseeleva).Porelcontrario,enloscilindrosdedoble
http://hawe.cohimar.com/bombas.pdf
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KF= S
2EIK= L2
efecto,elaceitepuedeentrarporlosdosladosdelmbolo,porloquepuedetransmitiresfuerzoenlosdossentidosdelmovimiento.
Unodelosaspectosatenerencuentaeneldiseodeuncilindrohidrulicoescmorealizarelamortiguamientoofrenadadelmovimientodelvstago,cuandosteseacercaal
finaldecarrera,evitandoasqueseproduzcan impactosentreelpistn
interiory latapadelcilindro.
Para ello los cilindros hidrulicos disponen de un pivote
amortiguador
quepaulatinamentereducelasalidadelaceitehastaque,pocoantesdellegaralfinaldecarrera,cierratotalmenteelpasodelcaudaldesalidadelaceite,"bypasseando"elflujomedianteunavlvuladeestrangulamientopordondeseevacuaelrestodelaceite.Deestemodo
se va disminuyendo progresivamente la velocidad del cilindro y el
pistn se consigue frenar suavemente. Este tipo
deamortiguamientoparalasposicionesfinalesdecarreraseutilizasilasvelocidadesdelcilindrooscilanentre6m/miny20m/min.
Figura13.Amortiguamientodelcilindroenfinaldecarrera
Porltimo,cabeindicarunaspectoatenermuyencuentaeneldiseodeloscilindroshidrulicos,yenconcreto,enloqueserefierealvstago.
Enefecto,cualquierpiezaesbeltasometidaaesfuerzosdecompresin,yelvstagoestarsometidoaestetipodesolicitacin,correelriesgodesufrirelfenmenodepandeo.Paratenerencuentaestetipodeinestabilidad,elclculodeldimetrodelvstagoserealizaaplicandolaTeoradeEuler.Segnestateora,paraundeterminadodimetro(d)devstago,
lafuerzamximaquepuedesoportarsinquesufradepandeovienedadaporlasiguienteexpresin:
dondeSesunfactordeseguridaddevalor3,5yKeslacargadepandeo(enkg)quesecalculamediantelasiguienteexpresin:
donde,
Eeselmdulodeelasticidad,devalor2,1106kg/cm2paraelacero
Ieselmomentodeinerciadelaseccintrasversaldelvstago,devalord2/64paraunvstagodeseccincirculardedimetrod
Leslalongituddepandeodelvstago,quedependedelmtododesujecinempleadoensumontaje.
LalongituddepandeoL,engeneralnovaacoincidirconlalongitudrealdelvstago,sinoquevaadepender,comoyasehadichodelaformaenquesehayarealizadoelmontajedelcilindro.
EnlasiguientetablaseindicacmosecalculaLenfuncindelasdistintassituacionesdemontajedelcilindrohidrulico.
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Tabla7.Clculodelalongitudlibredepandeo,L
2.6Tuberashidrulicas
Para la conduccin del fluido hidrulico se emplean tanto tuberas
rgidas de acero sin soldadura, comomangueras
flexibles,evitndoseentodomomentoemplearelementosgalvanizados,dadoqueelzincpresentepuedesermuyreactivoconciertosaditivospresentesenlosfluidoshidrulicos.
Tabla8.Tubosdeacerosinsoldaduraparacircuitoshidrulicos
Paraaplicacionesmvilesydedistanciascortas,sesueleemplearmanguerasflexiblescomolaquesemuestraenlafigura.
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FactordeSeguridadenmanguerasflexibles,Fs
Presindeservicio,enbares Fs
De070 8
De70175 6
>175 4
PresindeRoturaFs= PresindeFuncionamiento
Figura14.Mangueraflexibleparaaplicacioneshidrulicas
Enelcasodemanguerasflexibles,ensuclculohayquetenerencuentaunfactordeseguridadFs,enfuncindelapresindeservicioodefuncionamientoalaquetrabajelamanguera.
Tabla9.Factordeseguridadenmanguerasflexibles,Fs
2.7Vlvulas
Lasvlvulas,comoelementosderegulacin,decontrolymandode
lacirculacindel fluidohidrulicoporel
interiordelcircuito,puedenserdediversostipos:vlvulascontroladorasdepresin,decaudal,vlvulasdireccionalesodistribuidoras,vlvulasdebloqueoovlvulasdecierre.
Lasvlvulasdepresinactancuandolapresindelfluidoenelinteriordelcircuitoalcanzaunciertovalor,llamadotambinvalordetarado.
Segnsufuncinlasvlvulasdepresinseclasificanen:
Vlvulasdeseguridad:estetipodevlvulasprotegenalcircuitodesobrepresiones.Sonvlvulasnormalmentecerradas,quecuandosealcanceunapresinlmiteseactivanydescarganelfluido.
Figura15.PosicindeVlvuladeSeguridad
Vlvuladecompensacindecarga:estetipodevlvulasseutilizanparamantenerunapresinmnimaaguasarriba,evitndoseasquesepuedaproducirunfenmenodeembalamientoporausenciadeunaresistenciaenelcircuito,porejemplo,enlabajadadelospistonesqueelevanlacajadecargadeuncaminvolquetebasculante.
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0,785de2pFe= 104
Figura16.PosicindeVlvuladeCompensacin
Vlvulasdecaudalquelimitanelcaudalmximoquecirculaporelcircuito,derivandoelexcesodecaudalaltanquederetorno.
Vlvulasdireccionalesquedistribuyenelflujodentrodelcircuitohidrulico.Lashaydevariostipos:
Vlvulasantirretorno:quepermitenelpasodelfluidoenunsentidoyloimpidenenelcontrario.
Vlvulasdistribuidoras,quepuedensercorrederasorotativas.Enlasvlvulascorrederaslasconexionessesuelendenominar:P,paralalneadepresinT,laderetornoatanqueA,B...,lasdistintaslneasaactuadores,comosemuestraenlafigurasiguiente.
Figura17.Vlvuladistribuidoradecuatrovasydosposiciones
3Procedimientodeclculo
3.1Clculodelcilindrohidrulico
Conocidoelvalordelafuerzadeempuje(Fe)oelevacinnecesariayeltiempo(t)disponibleenrealizarunacarreracompletaporpartedelmbolo,seemplearanlassiguientesexpresionesparacalcularlosparmetrosgeomtricosquedefinenalcilindroactuador.
As,elvalordelempujeofuerzadeelevacin(Fe)capazdedesarrollaruncilindrohidrulicovienedadoporlasiguienteexpresin:
siendo,
Fe,elvalordelafuerzadesarrolladaporelcilindro,enkN.
de,eseldimetrodelmboloquediscurreporelinteriordelcilindro,enmm.
peslapresindeservicioalaqueseencuentraelaceitehidrulicoenelinteriordelcilindro,enbar.
Figura18.Esquemadeuncilindrohidrulico
Paracilindrosdedobleefecto,durante
lacarreraderetrocesooderecogidadelmbolo, la
fuerzaquepuededesarrollarviene
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0,785(de2dv2)pFr= 104
de2 V= L 4
Lv= 103t
60VQ= 106t
QQr=
calculadaporestaotraexpresin:
siendo,
Fr,elvalordelafuerzaderetrocesoorecogidadelmbolo,enkN.
de,eseldimetrodelmboloquediscurreporelinteriordelcilindro,enmm.
dv,eseldimetroexteriordelvstagoquediscurreporelinteriordelcilindro,enmm.
peslapresindeservicioalaqueseencuentraelaceitehidrulicoenelinteriordelcilindro,enbar.
Sisedenominacarrera(L)alrecorridocompletodelmbolodentrodelcilindro,entonceselvolumendeunacarrera(V),
tambinconocidocomocilindrada,vieneexpresadaporelproductodelasuperficiedelmboloporsucarrera,esdecir,
donde,
V,eslacilindradaovolumendeunacarrera,enmm3.
de,eseldimetrodelmboloquediscurreporelinteriordelcilindro,enmm.
L,eslalongituddelacarreradelvstago,enmm.
Porotrolado,conocidalacarrera(L)delvstagoymedidoeltiempo(t)empleadoensurecorrido,sepuedecalcularlavelocidad(v)conquesemueveelvstago,segnlaexpresinsiguiente:
siendo,
v,lavelocidaddesalidadelvstago,enm/s.
L,eslalongituddelacarreradelvstago,enmm.
t,eseltiempoempleadoensalircompletamenteelvstagodelcilindro,ensegundos(s).
Conocidoelvolumendelacarrera(V)yeltiempo(t)empleadoenlasalidadelvstago,sepuedeconocerelcaudal(Q)necesariopararealizarunacarrera,como
donde,
Q,eselcaudaldefluidonecesarioparahacerunacarrera,enlitros/minuto(l/min).
V,eslacilindradaovolumendeunacarrera,enmm3.
t,eseltiempoempleadoensalircompletamenteelvstagodelcilindro,ensegundos(s).
Noobstante,elanteriorvalorsetratadeunvalorterico.Elcaudalreal(Qr)tenidaencuentaelrendimientovolumtricodelcilindrodondesereflejanaspectoscomolafugadefluidoporlasjuntas,vienedadoporlasiguienteexpresin:
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4Qv= D2
siendo,
Qr,elcaudalrealdefluidonecesarioparahacerunacarrera,enlitros/minuto(l/min).
Q,eselcaudaltericocalculadosegnlaexpresinanterior,enlitros/minuto(l/min).
,eselrendimientovolumtricodelcilindroquetieneencuentalasfugas,comogeneralsetoma0,95.
3.2Clculodelastuberas
Unavezcalculadoelcilindroactuadorysusparmetrosdediseo(caudaldeflujo,geometra),elsiguientepasoesdimensionarlosdimetrosdelosconductosolatiguillosqueconducenelfluidohidrulicohastalosactuadores.
El clculodeldimetrode los conductosse realizaapartir del caudal
(Q) que llegahastael cilindroactuador,
queesundatoconocidoycalculadosegnelapartadoanterior.
Enefecto, la velocidaddel fluidohidrulico (v)porel interiorde
losconductosest relacionadoconel caudal (Q),mediante
lasiguienteexpresin:
Q=vA
donde
Aeselreadelaseccininternadelatubera(D2/4),siendoDeldimetrointeriordelatubera.
Porlotanto,sustituyendoydespejandovdelaexpresinanterior,elvalordelavelocidad(v)delfluidoquediscurreporelinteriordeunatuberatambinpuedeserexpresadaenfuncindelcaudal(Q)ydeldimetrointerior(D)delatubera,como:
Comonormageneral,eldimetro(D)decualquiertuberadeconduccindeaceitehidrulicoseelegirtalquelavelocidad(v)delfluidoporsu
interiorsemantengadentrodeunrangodevelocidades.En
laprcticaseaplican
lossiguientesvaloresestndardevelocidadenlosconductos:
Tuberasdeimpulsin:
hasta50bardepresindetrabajo:4,0m/s
hasta100bardepresindetrabajo:4,5m/s
hasta150bardepresindetrabajo:5,0m/s
hasta200bardepresindetrabajo:5,5m/s
hasta300bardepresindetrabajo:6,0m/s.
Tuberasdeaspiracin:1,5m/s
Tuberaderetorno:2,0m/s.
Unavezseleccionadoundimetro(D)paralatubera,sesustituyeenlaexpresinanterioryserecalculaelvalordelavelocidad(v)obtenida,comprobndosequesemantienedentrodelanteriorrangorecomendadodevelocidades.Es,portanto,unprocesoiterativo.
Unavezseleccionadoeldimetro(D)de la tuberaycalculada
lavelocidad(v)decirculacindel
fluidohidrulico,esnecesarioconocerlaprdidadecargaqueseproduceporelinteriordelatubera.
Elclculodelaprdidadecargaodepresin(p)originadoenlostramosdetuberasesinmediatoyfcilderealizar.Enefecto,enuntramodetuberadeunalongitudconsiderada"L",elclculodelasprdidasdecargaoriginadassepuedeobteneraplicandolaecuacindeDarcyWeisbach,mediantelasiguienteexpresin:
donde,
peselvalordelaprdidadecargaodepresinmedidasegnlaalturamanomtricayexpresadaenmetrosdecolumnadeagua(m.c.a.)
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Re=vD
r=
D
RUGOSIDADABSOLUTADEMATERIALES
Material (mm) Material (mm)
Plstico(PE,PVC) 0,0015 Fundicinasfaltada 0,060,18
Polisterreforzadoconfibradevidrio 0,01 Fundicin 0,120,60
Tubosestiradosdeacero 0,0024 Acerocomercialysoldado 0,030,09
Tubosdelatnocobre 0,0015 Hierroforjado 0,030,09
Fundicinrevestidadecemento 0,0024 Hierrogalvanizado 0,060,24
Fundicinconrevestimientobituminoso 0,0024 Madera 0,180,90
Fundicincentrifugada 0,003 Hormign 0,33,0
Leslalongituddeltramoconsideradodetubera(m)
Deseldimetrointeriordelatubera(m)
veslavelocidaddelfluidohidrulicoporelinteriordelatubera(m/s)
geslaacelaracindelagravedad(9,81m/s2)
feseleselfactordefriccindeDarcyWeisbach.
Delaanteriorexpresintodoslosparmetrossonconocidossalvoelfactordefriccin(f).
Elfactordefriccin(f),esunparmetroadimensionalquedependedelnmerodeReynolds(Re)delfluidohidrulicoempleadoydelarugosidadrelativadelatubera(r)
f=f(Re,r)
dondeelnmerodeReynolds(Re)vieneexpresadoporlasiguienteformulacin:
siendo,
ladensidaddelaceiteofluidohidrulico(kg/m3)
veslavelocidaddelfluidoporelinteriordelatubera(m/s)
Deseldimetrointeriordelatubera(m)
esviscosidaddinmicadelaceiteofluidohidrulico(kg/ms)
Porotrolado,larugosidadrelativadelatubera(r)vienedadaenfuncindelarugosidadabsoluta()delmaterialdelqueestfabricadalatuberaydesudimetrointerior(D)deacuerdoalasiguienteexpresin:
Enlasiguientetablasemuestranlosvaloresderugosidadabsolutaparadistintosmateriales:
Tabla10.Rugosidadesabsolutasdemateriales
ElnmerodeReynolds (Re) representa la relacinentre las fuerzasde
inerciay lasviscosasen la tubera.Cuando las
fuerzaspredominantessonlasviscosas(ocurreparaReconvaloresbajos),elfluidodiscurredeformalaminarporlatuberaylaimportanciadelarugosidadenlaprdidadecargaesmenorquelasdebidaalpropiocomportamientoviscosodelfluido.Porotrolado,enrgimenturbulento(Regrande),lasfuerzasdeinerciapredominansobrelasviscosasylainfluenciadelarugosidadsehacemspatente.
LosvaloresdetransicinentrergimenlaminaryturbulentoseencuentraconelnmerodeReynoldsenlafranjade2000a4000.Esdecir,enfuncindelvalordelnmerodeReynoldssetieneque:
Re
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f=64Re
p=K v2
2g
p=K8Q2
2gD4
Vlvulas(abiertas) Coef.deprdida,K
Debola K=0,1
Compuerta K=0,10,3
Re>4000:Rgimenturbulento.
Conocersielflujoquecirculaporunatuberaseencuentraenelrgimenlaminaroturbulentoesimportanteporquemarcalamaneradecalcularelfactordefriccin(f).
Enefecto,elfactordefriccin(f)paravaloresdelnmerodeReynoldspordebajodellmiteturbulento,esdecir,enrgimenlaminar,sepuedecalcularaplicandolafrmuladePoiseuille:
expresinqueresultasencilladeaplicarparacalcularelfactordefriccin(f)conocidoelReynolds(Re).
Paralaotrasituacin,esdecir,quenosencontremosenrgimenturbulento,elclculoparaconocerelfactordefriccin(f)yanosestaninmediato,ydependetantodelnmerodeReynoldscomodelarugosidadrelativadelatubera.Enestecasoexistendiversasformulacionesquepuedenserutilizadasparaelclculodelfactordefriccin:
>>EcuacindeColebrookWhite
YotrascomolaecuacindeBarr,laecuacindeMillerolaecuacindeHaaland.
No obstante, afortunadamente adems de estas expresiones existen
representaciones grficas y bacos empricos que
nospermitencalcularcmodamenteelfactordefriccin(f).UnodeelloseselDiagramadeMoodyqueeslarepresentacingrficaenescaladoblementelogartmicadelfactordefriccin(f)enfuncindelnmerodeReynolds(Re)ydelarugosidadrelativadelatubera(/D),segnserepresentaenlasiguientefigura:
Figura19.DiagramadeMoody
Porotrolado,paraevaluarlasprdidaslocalesqueseoriginanenvlvulasuotroselementosintercaladosenlainstalacin(codos,derivaciones
en T, bifurcaciones, reducciones...) se pueden calcular a partir de
formulaciones empricas, como lamostrada en laexpresinsiguiente:
obien,
dondeelcoeficienteadimensionalK,quemidelacadadepresinsemideexperimentalmenteydependedeldiseodelfabricante.Enlasiguientetablasedanalgunosvaloresorientativos:
http://es.wikipedia.org/wiki/Ecuaci%C3%B3n_de_Colebrook-White
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Antiretorno K=1,0Deasientoestndar.Asientode
fundicin K=4,010,0
Deasientoestndar.Asientodeforja(pequea) K=5,013,0
Deasientoa45.Asientodefundicin K=1,03,0
Deasientoenngulo.Asientodefundicin K=2,05,0
Deasientoenngulo.Asientodeforja(pequea) K=1,53,0
Mariposa K=0,21,5
Diafragma K=2,03,5
Demachootapn.Rectangular K=0,30,5
Demachootapn.Circular K=0,20,3
Otroselementos Coef.deprdida,K
Codosa90 K=0,2
Derivacin K=0,3
CocienteK(parcial)/K(abierta)
Situacin Compuerta Esfera Mariposa
Abierta 1,0 1,0 1,0
Cerrada25% 3,05,0 1,52,0 2,015,0
50% 1222 2,03,0 860
75% 70120 6,08,0 45340
Tabla11.Coeficientesdeprdidadecarga,K
Parael clculode
loscoeficientesdeprdidasdecargaenvlvulasparcialmenteabiertas
respectoal valordel
coeficienteenaperturatotal,sepuedentomarlosvaloresdeestaotratabla:
Tabla12.Coeficientesdeprdidadecargaenvlvulasparcialmenteabiertas
Unavezcalculadalasprdidasdecargaslocalizadasencadaelemento,codoovlvuladelmismoramal,sesumantodasellasyseagregaalaprdidadecargacalculadaeneltramorectodeltubo,obtenindoseaslaprdidadecargatotalporrozamientoenlatubera.
ANEXOS
A.1SmbolosHidrulicos
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A.2CodificacindeCilindrosHidrulicos
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