¿Cómo elegir los componentes del circuito hidráulico?

¿Cómo elegir los componentes del circuito hidráulico?
En el mes anterior estuvimos hablando sobre cilindros hidráulicos, qué son, clasificación, partes
importantes y detalles del proceso de fabricación que destacan los cilindros comercializados por
Alfonso Sabbatini e Hijo S.R.L.
Ahora vamos a expresar algunas fórmulas simples como para hacer un pre-diseño o cálculo
inicial para la elección de los componentes del circuito hidráulico en función a las dimensiones
del cilindro, carga requerida y/o prestaciones de la bomba.
Fuerza de avance:
Como la mayoría de las aplicaciones en las que trabaja Alfonso Sabbatini e Hijo S.R.L. son para
equipos con cilindros simple efecto, se calculará solo la fuerza de avance, ya que el retroceso se
hace por gravedad.
Para esto se utilizará la clásica formula del cálculo de la presión. La presión genera fuerzas
normales a todas las superficies del recinto en las que está contenido el líquido. En nuestro caso
el líquido es aceite y el recinto es la cámara de llenado del cilindro.
La fórmula es:
Donde:
P= presión en kg/cm2
F= fuerza en Kg
A= área o superficie del émbolo en cm2
𝑃𝑃 =
𝐹𝐹
𝐴𝐴
Despejando la fuerza y expresando la fórmula de una superficie circular, donde d = diámetro del
émbolo en cm.
𝑭𝑭 = 𝑷𝑷. 𝑨𝑨 = 𝑷𝑷.
𝝅𝝅. 𝒅𝒅𝟐𝟐
𝟒𝟒
Es decir, que conociendo la presión máxima de trabajo de la bomba y las dimensiones del
cilindro, podremos conocer la fuerza que puede hacer el mismo para levantar una batea, por
ejemplo.
Diámetro de cilindro: se puede calcular el diámetro que debería tener el émbolo del cilindro
conociendo la fuerza de avance que debe hacer el mismo (ej: una batea completamente cargada
con granos) y la presión de trabajo de la bomba.
Para eso usamos la misma fórmula de presión, despejando el diámetro del émbolo:
𝑭𝑭. 𝟒𝟒
𝒅𝒅 = �
𝝅𝝅. 𝑷𝑷
Presión necesaria: es la presión que debe entregar la bomba para que el cilindro pueda cumplir
con el trabajo al que está designado. Si tengo las dimensiones del cilindro y se cuánta fuerza
debe realizar, la presión de aceite que debe entregar la bomba será:
𝐹𝐹
𝑃𝑃 =
𝐴𝐴
Ésta debe ser menor a la presión máxima de trabajo de la bomba y de cualquier componente
del equipo.
Tiempo de carrera: es el tiempo que tarda el cilindro en desplegarse por completo. Para esto se
debe conocer el volumen de la cámara de presión del cilindro (o en caso de un cilindro
telescópico del volumen interno de cada etapa) y el caudal entregado por la bomba.
En el caso de Alfonso Sabbatini e Hijo S.R.L., las bombas entregan un caudal de 70, 120, 170 y
210 lts/min a 2000rpm.
El volumen del cilindro será:
𝑉𝑉 =
𝜋𝜋. 𝑑𝑑2
. 𝐿𝐿
4000
Donde:
d = diámetro del émbolo (o de las distintas etapas) en cm
L = carrera en cm
V = volumen en litros
Si luego este volumen por el caudal (volumen/tiempo) obtendremos el tiempo que tarda el
cilindro en desplegarse:
Donde:
t= tiempo de carrera en segundos
Q= caudal en litros/minutos
𝑡𝑡 =
𝑉𝑉
. 60
𝑄𝑄
En caso de un cilindro telescópico se debe realizar la misma operación para cada etapa
(calculando el volumen de cada etapa) y luego, para obtener el tiempo total, se deben sumar
todos los resultados.
Velocidad de avance: significa qué tan rápido se despliega el cilindro. La velocidad será
expresada en una unidad de longitud dividida una unidad de tiempo, por lo tanto:
𝑄𝑄
. 1000
𝑑𝑑2
𝜋𝜋 4
O sea que con el caudal de la bomba y las dimensiones del cilindro podremos obtener la
velocidad de avance del vástago.
𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉 =
Y con esta misma fórmula podemos despejar el caudal necesario de la bomba y las dimensiones
del cilindro, siendo:
1. Conociendo la velocidad con la que quiero que se despliegue el cilindro y el caudal de la
𝑄𝑄
�� �
bomba: 𝑑𝑑 = 2. 𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉 �𝜋𝜋
2. Conociendo la velocidad con la que quiero que se despliegue el cilindro y las
𝑑𝑑 2
2
dimensiones del cilindro: 𝑄𝑄 = � � . 𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉. 𝜋𝜋
Con todas estas formulas podremos dimensionar de manera preliminar los componentes del
circuito hidráulico. Hay que considerar que estos tiempos teóricos no serán iguales a los reales
ya que se deben considerar el tiempo de abertura de las válvulas, el ensanchamiento del cilindro
al aplicarle presión, las pérdidas de fuerza no conservativas (rozamientos, transferencia de
calor), etc.