SISTEMAS HIDRAULICOS

SISTEMAS HIDRÁULICOS

PROCESOS INDUSTRIALES

HECTOR ANDRES MENA RAMIREZ

GRUPO BD

Presentado al Ingeniero:

LUIS PATERNINA

UNIVERSIDAD DE LA COSTA CUC

FACULTAD DE INGENIERÍAS

PROGRAMA DE INGENIERÍA INDUSTRIAL

Barranquilla, octubre 25 de 2013

SISTEMAS HIDRÁULICOS

De los más comunes y útiles del uso de la potencia de los fluidos es aquel en donde cilindros se extienden y retraen para transmitir fuerzas y presiones. Estos pueden ser utilizados para levantar, fijar objetos y herramientas en una gran variedad de procesos de manufactura. El sistema hidráulico trabaja en base al principio de fluido a presión forzando la acción mecánica. A uno de estos sistemas instalado en una máquina se le llama "circuito hidráulico". Estos circuitos están compuestos de una bomba para comprimir el fluido, líneas para llevarlo, un cilindro donde se bombea el líquido y un pistón movido por el mismo a presión en el cilindro. El sistema hidráulico también puede accionar ejes para motores hidráulicos y cintas transportadoras.

A menudo cuando se habla de sistemas hidráulicos cerrados, nos referimos a uno en el cual el líquido es alimentado directamente detrás de la bomba de impulso del sistema. (Figura 1)

Especificaciones del sistema

Los criterios de selección de un sistema hidráulico cerrado son:

Fuerza a ejercer por el pistón

Distancia a través de la cual la fuerza va a actuar

El tiempo de ciclo para completar la extensión y retracción del pistón

La secuencia de eventos por los cuales el pistón se extiende (Extensión) y luego se retrae (retroceso) a su posición original se denomina el ciclo de trabajo del sistema y el tiempo de ciclo es el tiempo requerido para un ciclo de trabajo. Un factor adicional para la escogencia de componentes del sistema es el costo, por eso la escogencia debe realizarse de manera que los costos totales sean un mínimo.

Características de los componentes:

Los componentes primarios que influyen en el comportamiento del sistema y sus características por las cuales se seleccionan son:

Cilindros hidráulicos: Recorrido y diámetros

Bomba: Rata de flujo y presión

Motor: Potencia

EJERCICIO

Un sistema para separar los neumáticos (llantas) de los rines metálicos en los cuales están montados consiste de tres pistones que se extienden simultáneamente para deformar el ring y simplemente este sale de la llanta (Figura 2). Cada cilindro debe ser capaz de ejercer una fuerza de 38000 libras al extenderse en un recorrido de 13 pulgadas en un tiempo de ciclo de 11.5 segundos, según esto:

Seleccionar un pistón adecuado para este sistema

Determinar las características de la bomba necesaria

Determinar la mínima potencia e HP requerida para manejar este sistema

A continuación se relaciona una tabla mostrando tres cilindros hidráulicos típicos y sus dimensiones (tablas que se encuentran en los catálogos de proveedores de cilindros)

Ejemplo: Un sistema para separar los neumáticos (llantas) de los rines metálicos en los cuales están montados consiste de tres pistones que se extienden simultáneamente para deformar el ring y simplemente este sale de la llanta (Figura 2). Cada cilindro debe ser capaz de ejercer una fuerza de 38000 libras al extenderse en un recorrido de 13 pulgadas en un tiempo de ciclo de 11.5 segundos, según esto:

Seleccionar un pistón adecuado para este sistema

Determinar las características de la bomba necesaria

Determinar la mínima potencia e HP requerida para manejar este sistema

A continuación se relaciona una tabla mostrando tres cilindros hidráulicos típicos y sus dimensiones (tablas que se encuentran en los catálogos de proveedores de cilindros)

Cilindros Diámetro del Pistón D(in) Recorrido, s (in) Diámetro de retroceso Dr (in)

A 4.0 13 2.5

B 5.0 13 3.5

C 6.0 13 4.0

Tabla 1. Tipos de cilindras típicos comerciales

Solución:

Un cilindro que tenga un recorrido de 13 pulgadas se puede seleccionar de la tabla 1 y en la figura 3 se puede observar los detalles de la construcción de un cilindro. El pistón se desliza bajo la acción de un fluido con sellos al comienzo y al final para evitar fugas y pérdidas de eficiencia. En las tablas respectivas se encontrará la respuesta usando cada uno de los tipos de cilindro, usted deberá comprobar estos valores realizando la aplicación de las respectivas fórmulas dadas.

Determinación de las características de la bomba

Una vez se seleccione el cilindro, se calcula la presión requerida por el sistema para cada uno de los tipos de cilindro.

P = F/A = F/ (0.7854 D2).

En la tabla 2 se muestran los resultados para cada caso, para producir las 38000 libras especificadas en el ejemplo.

Cilindro A B C

Presión (psi) 3024 1935 1344

Tabla 2. Presión requerida para producir 38000 lb.

Para calcular la rata de flujo necesaria para el funcionamiento del sistema especificado, es necesario solamente determinar el volumen total que la bomba debe llenar durante un ciclo completo de extensión/retracción; el volumen de cada porción de ciclo de trabajo que se denominará en adelante como volumen de extensión (Vext) y volumen de retroceso (Vret). Como el volumen será igual al área seccional del pistón por el recorrido (s), tendremos:

Vext = 0.7854D2s

El volumen de retroceso será igual al volumen de extensión menos el volumen ocupado en el retroceso por el cilindro que mueve el pistón (Figura 5) y por consiguiente ese volumen será:

Vret = (0.7854D2s) – (0.7854Dr2s)

Combinando las expresiones para el volumen de extensión y el de retroceso, esta suma dará el volumen total que se debe mover para el ciclo completo de trabajo, tendríamos:

VT = 0.7854 (2D2 – Dr2)s.

Y como en el ejemplo el sistema consta de tres (3) cilindros (Figura 2), el volumen de este sistema será

Vsist = 3VT

Adicionalmente se puede calcular el flujo que debe mover la bomba para cada tipo de cilindro:

Q = VT /t

Y como el tiempo de ciclo es de 11.5 segundos, se puede calcular para cada caso. Los resultados se muestran en la tabla No. 3

Cilindro/Volumen A B C

Vext (in3) 163 255 368

Vret (in3) 100 130 204

VT (in3) 263 385 572

Vsist (in3) 789 1156 1715

Q (in3/s) 68.6 101 149

Q (gal/min) 17.8 26.2 38.7

Tabla No. 3

Se deben tener en cuenta algunas consideraciones adicionales acerca de las características de un sistema como el del ejemplo:

El diámetro del cilindro afecta tanto a la presión requerida como a la rata de flujo. Un pistón grande requiere una pequeña presión para producir una determinada fuerza de salida, pero como el volumen del cilindro también es grande, se necesitará un flujo mayor para realizar el tiempo de ciclo deseado. Obviamente entonces pistones pequeños pueden ser utilizados con bombas que sean capaces de operar a grandes presiones y pequeñas ratas de flujo; mientras que pistones grandes pueden ser usados con bajas presiones y grandes ratas de flujo.

Puesto que el volumen retráctil es más pequeño que el volumen de extensión, el tiempo de extensión será mayor que el de retracción, por consiguiente se pueden calcular estos tiempos como una relación respecto al volumen total: así será:

Text = (tiempo de ciclo)(Vext/VT)

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