Diseño De Sistemas Neumaticos

Diseño de Sistemas Hidráulicos

Índice de contenidos:

1- Introducción

1.1- Fundamentos

1.2- Ventajas e inconvenientes

2- Componentes del sistema

2.1- Fluido hidráulico

2.2- Depósito hidráulico

2.3- Filtros

2.4- Bomba hidráulica

2.5- Cilindro actuador

2.6- Tuberías hidráulicas

2.7- Válvulas

3- Procedimiento de cálculo

3.1- Cálculo del cilindro hidráulico

3.2- Cálculo de las tuberías

ANEXOS

A.1- Símbolos Hidráulicos

A.2- Codificación de los Cilindros Hidráulicos

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DESARROLLO DEL CONTENIDO

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1- Introducción

1.1- Fundamentos

Los fundamentos de la hidráulica se basan en dos principios fundamentales de la física, a saber:

• Principio de Pascal: el cual expresa que la presión que ejerce un fluido incompresible y en equilibrio dentro de un recipiente de paredes indeformables se transmite con igual intensidad en todas las direcciones y en todos los puntos del fluido.

• Principio de Bernoulli: expone que en un fluido ideal (sin viscosidad ni rozamiento) en régimen de circulación por un conducto cerrado, la energía que posee el fluido permanece constante a lo largo de su recorrido.

La energía de un fluido en cualquier momento consta de tres componentes: cinética (que es la energía debida a la velocidad que posee el fluido), potencial o gravitacional (que es la energía debido a la altitud del fluido), y una energía que podríamos llamar de "flujo" (que es la energía que un fluido contiene debido a su presión).

En la siguiente ecuación, conocida como "Ecuación de Bernoulli" expresa matemáticamente este concepto:

v2•ρ

—— + P + ρ•g•z = constante

2

siendo,

v la velocidad del fluido en la sección considerada;

ρ la densidad del fluido;

P es la presión del fluido a lo largo de la línea de flujo;

g la acelaración de la gravedad;

z la altura en la dirección de la gravedad desde una cota de referencia.

Los sistemas hidráulicos, objeto de estudio de este tutorial, constituyen una de las formas tecnológicas que actualmente empleamos para la transmisión de potencia en máquinas. Todo sistema hidráulico está compuesto de los siguientes elementos principales:

- Un depósito acumulador del fluido hidráulico;

- Una bomba impulsora, que aspirando el fluido desde el depósito crea el flujo en el circuito hidráulico;

- Válvula de control que permite controlar la dirección de movimiento del fluido;

- Actuador o pistón hidráulico, que puede ser de simple o doble efecto, siendo el elemento que transmite la fuerza final;

- Red de conductos por el que circula el fluido desde la bomba hasta los actuadores y retorna al depósito acumulador;

- Filtros de limpieza del fluido hidráulico;

- Válvula de alivio, que proporciona una salida al sistema en caso de producirse un aumento excesivo de la presión del fluido dentro del circuito.

1.2- Ventajas e inconvenientes

A continuación se exponen algunas ventajas e inconvenientes de los sistemas hidráulicos frente a otros sistemas convencionales de transmisión de potencia:

a) Ventajas:

• Los sistemas hidráulicos permiten desarrollar elevados ratios de fuerza con el empleo de sistemas muy compactos.

• Permiten la regulación continua de las fuerzas que se transmiten, no existiendo riesgo de calentamiento por sobrecargas.

• Son elementos muy flexibles y que pueden adaptarse a cualquier geometría, gracias a la flexibilidad de los conductos que conducen el aceite hidráulico hasta los actuadores.

• Los actuadores o cilindros hidráulicos son elementos reversibles, que pueden actuar en uno u otro sentido y que además permiten su frenada en marcha. Además son elementos seguros, haciendo posible su enclavamiento en caso de producirse una avería o fuga del fluido hidráulico.

b) Inconvenientes:

• La baja velocidad de accionamiento de los actuadores o pistones hidráulicos.

• La alta presión de trabajo exige labores de mantenimiento preventivos (vigilancia de posibles fugas en las juntas).

• Sistema no muy limpio, debido a la presencia de aceites o fluidos hidráulicos.

• En general, es un sistema más caro que otros, por ejemplo los sistemas de aire comprimido.

2- Componentes del sistema

2.1- Fluido hidráulico

Para que un fluido pueda ser empleado como líquido del circuito de un sistema hidráulico, éste deberá presentar las siguientes propiedades:

• Ser un fluido incompresible para un rango amplio de presiones;

• Ofrecer una buena capacidad de lubricación en metales y gomas;

• Buena viscosidad con un alto punto de ebullición y bajo punto de congelación (el rango de trabajo debe oscilar entre -70ºC hasta +80ºC);

• Presentar un punto de autoignición superior, al menos a los 100ºC;

• No ser inflamable;

• Ser químicamente inerte y no corrosivo;

• Ser un buen disipador de calor, al funcionar también como refrigerante del sistema;

• Presentar buenas condiciones en cuanto a su almacenamiento y manipulación.

Los fluidos hidráulicos presentes en el mercado se pueden agrupar, en general, en tres grandes grupos:

• 1- Fluidos sintéticos de base acuosa: son resistentes a la inflamación. A su vez, se subdividen en dos tipos:

- Emulsiones de agua y aceite. En este tipo de fluidos, además del aceite de base mineral emulsionable se emplean aditivos que le confieren propiedades antioxidantes, antidesgaste, etc.

- Soluciones de agua-glicol. Mezclas de 40% glicol y 60% agua, más aditivos especiales.

• 2- Fluidos sintéticos no acuosos: son compuestos sintéticos orgánicos (fosfatos ésteres simples o clorados, hidrocarburos clorados y silicatos ésteres). Son caros, pero presentan un punto de inflamación muy alto.

• 3- Aceites minerales o sintéticos: son hidrocarburos extraídos del petróleo a los que se le añaden aditivos químicos, que les confiere unas buenas prestaciones a un coste relativamente bajo. Son los más usados comercialmente.

La forma de denominar a los fluidos hidráulicos está regulada según la norma DIN 51524 y 51525. Así, los fluidos hidráulicos siguiendo esta normativa se denominan todos con la letra H a la que se le añaden otras letras, para indicar el tipo de aditivos o propiedades del fluido. A continuación, se muestra la designación de los fluidos hidráulicos según su tipo:

• Aceites minerales o sintéticos:

- HH: si se trata de un aceite mineral sin aditivos;

- HL: si se trata de un aceite mineral con propiedades antioxidantes y anticorrosivas;

- HP (ó HLP): aceite tipo HL con aditivos que mejoran la resistencia a cargas;

- HM (ó HLM): aceite mineral tipo HL que incluye además aditivos antidesgaste;

- HV: aceite tipo HM que además incorpora aditivos que mejoran su índice de viscosidad.

En ocasiones, a las siglas anteriores se les agrega un número que indica el coeficiente de viscosidad según DIN 51517 (clasificación de viscosidad según ISO). Ejemplo, HLP 68, que indica:

H: se trata de aceite hidráulico;

L: con aditivos para protección anticorrosivas, con propiedades antioxidantes;

P: posee aditivos que mejora la carga;

68: código de viscosidad, según DIN 51517.

• Fluidos sintéticos de base acuosa:

- HFA: emulsión de aceite en agua (contenido de agua: 80-98%);

- HFB: emulsión de agua en aceite (contenido de agua: 40%);

- HFC: solución de poliglicoles (contenido de agua: 35-55%);

- HFD: líquidos anhídricos (contenido de agua: 0-0,1%).

• Fluidos sintéticos no acuosos:

- HFD-R: aceite a base de esterfosfatos;

- HFD-S: aceite a base de hidrocarburos halogenados;

- HFD-T: aceite a base de mezcla de los anteriores.

Por otro lado, la propiedad que más distingue un fluido hidráulico de otro es la medida de su viscosidad. La norma DIN 51524 define los siguientes grados para la llamada viscosidad cinemática, según la tabla siguiente:

ISO

Grados de viscosidad Viscosidad cinemática (mm2/s) a 40 ºC

Mín. Máx.

ISO VG 10 9,0 11,0

ISO VG 22 19,8 24,2

ISO VG 32 28,8 35,2

ISO VG 46 41,4 50,6

ISO VG 68 61,2 74,8

ISP VG 100 90,0 110,0

Tabla 1. Grados de viscosidad ISO

Decir que la viscosidad cinemática es el cociente entre la viscosidad absoluta y la densidad del fluido. En el S.I. su unidad es el m2/s, mientras que en el sistema C.G.S. su unidad es el cm2/s, que se denomina stokes (St).

Por otro lado, la unidad en el S.I. de la viscosidad dinámica o absoluta es el kg/(m•s) ó Pa•s. En el sistema C.G.S., la unidad de la viscosidad absoluta es g/(cm•s), que se denomina poise (P).

La viscosidad del aceite lubricante se expresa con un número SAE, definido por la Society of Automotive Engineers. Los números SAE están definidos como: 5W, 10W, 20W, 30W, 40W, etc. En la siguiente tabla se indica la correlación SAE-ISO:

Tabla 2. Correlación

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