TEMA HIDRÁULICA La hidráulica es parte de la mecánica que estudia el equilibrio y el movimiento de los fluídos. Por otro lado, hacemos referencia a hidráulica como los mecanismos que se mueven por efecto del agua u otros fluídos. 2.- Conceptos físicos que definen la hidráulica: 2.1.- Mecánica: Parte de la física que trata el equilibrio y el movimiento de los cuerpos sometidos a cualquier fuerza. 2.2.- HIdromecánica: Se dice de ciertos dispositivos o aparatos en los que se aprovecha el agua como fuerza motriz. Puede ser hidrostática e hidrodinámica. 2.3.- Hidráulica: Es una ciencia que estudia las fuerzas y movimientos transmitidos por líquidos. 2.4.- Hidrostática: Parte de la mecánica que estudia el equilibrio de los fluidos. 2.5.- Parte de la mecánica que estudia el movimiento de los fluídos. Daniel Bernoulli estableció el principio de Bernoulli, que indica que un fluído ideal, circulando en un conducto sin roces ni viscosidad, mantiene la energía en todo su recorrido. 3.- Presión hidráulica: Es la fuerza aplicada por unidad de superficie. P = F/A = N/m2 = Pa (Pascales) Presión y fuerza: P = Presión en pascales Pa. 1 Bar = 100.000 Pa F = Fuerza en Newton N. 3.1. Ley de Pascal La presión aplicada sobre un fluído dentro de un recipiente cerrado, se transmite por igual a todos los puntos del citado recipiente. Ejemplo: ¿Qué presión ejercerá un pistón sobre un recipiente cerrado de 25 cm2, si sabemos que aplica una fuerza de 1500 N? P = F/A = 1500 /0,0025 = 600.000 Pa = 6 bar 3.2 Multiplicación de fuerzas. Prensa hidráulica. La prensa hidráulica es una máquina que utiliza la multiplicación de fuerzas para realizar trabajos. Si disponemos de un sistema cerrado, y sabemos que al aplicar una presión, es la misma en cualquier punto del recipiente: P1 = F1/A1 y P2 = F2/A2 Consideramos que el sistema es estable P1 = P2 Entonces: F1/A1 = F2/A2 Finalmente: F1 = A1.F2/A2 y por otro lado F2 =A2.F1/A1 Esta expresión demuestra que aplicando una fuerza pequeña en la superficie menor, se transforma en una fuerza mayor, que aporta presión a la superficie mayor. Ejemplos libro aula electrica. 3.3.-Fuerza aplicada a un cilindro La fuerza que le aplica el fluído a la superficie del émbolo de un cilindro A, es transmitida por la parte delantera a éste con una superficie menor A2, debido a que el vástago resta área. 4.- Principio de continuidad. Ecuación de continuidad. La cantidad de fluído que pasa por una sección en un tiempo determinado, es constante. Dado un sistema ideal sin pérdidas, cuando un fluído fluye por un conducto cuya sección varía, la velocidad también lo hace en función de la sección del conducto. Por lo tanto, cuanto mayor es el área, menor será la velocidad, y cuanto menor sea el área del conducto la velocidad aumentará. Donde: Q1 = A1.V1 = m3/seg Q2 = A2.V2 = m3/seg Q = caudal en m3 /seg A = Área en m2 V = Velocidad en m/seg Como los caudales han de ser iguales: A1.V1 = A2.V2 A1/A2 = V2/V1 5.- Equipo hidráulico. 5.1.- Bombas hidráulicas. Grupo de accionamiento. Una bomba hidráulica convierte movimiento mecánico (energía mecánica), aportada generalmente por un motor eléctrico, en potencia aplicada en forma de fluído a presión que se incrementará en función de las necesidades del circuito. Una bomba se abastece de un depósito de aceite, y suministra a la circuitería hidráulica ( (conductos, componentes, actuadores…) la presión necesaria. Las bombas se pueden clasificar en función del caudal (constante o variable) y en función de su constitución ( de engranajes, de aletas, de pistones). Bomba hidráulica Motor eléctrico Conjunto motor-bomba 5.1.1. Bomba de engranajes. De caudal constante, está constituída por dos vías, una de aspiración y otra de expulsión, con una presión determinada, donde dos ruedas dentadas, son las encargadas de transportar el fluído, por la unión de sus dientes. También se conoce como de engranajes externos, ya que el accionamiento de los engranajes es externos a la cámara de bombeo. Cámara de expusión Cámara de aspiración. 5.1.2. Bomba de lóbulos Es un tipo de bomba de engranajes, que en vez de llevar ruedas dentadas, cuenta con dos o tres lóboulos más grandes y redondeados. El funcionamiento es similar a la bomba de engranajes. 5.1.3 Bomba de pistones axiales Recibe el movimiento en un eje y éste se acopla en forma de rótulas a unos pistones que realizan la función de absorción y expulsión. En el primero de los casos que se muestra, el motor eléctrico mueve dos pistones acoplados a un disco, de tal manera que cuando un pistón realiza la función de absorción, el otro hace lo propio con la expulsión. Note, que en la entrada se acoplan válvulas antirretorno cruzadas para controlar los fluídos en entrada y salida. En el siguiente gráfico, el disco mueve 8 pistones. 5.1.4. Bomba de pistones radiales. Un disco excéntrico, girará dentro de una cavidad en la cual una serie de émbolos o pistones impulsan el fluido desde el conducto de entrada al de salida, mientras los émbolos se van desplazando abriendo y cerrando la cavidad por tramos. 5.1.5. Bomba helicoidal Formada por dos o tres tornillos helicoidales que están engranados entre sí, de tal modo que el giro de los tornillos, desplaza el fluído de una zona de la cámara a la contraria. También se conoce como bomba de tornillo. 5.1.6. Depósito de almacenamiento: Símbolo del depósito. El depósito almacena el fluído que circulará (re-circulará) por el circuito hidráulico. Un tubo está conectado directamente a la bomba para extraer el fluído; otro tubo se dispone a modo de retorno. El depósito cuenta también con varias utilidades como filtros, indicadores de nivel de llenado, tornillo de vaciado, entre los más importantes. 5.1.7. Filtros Símbolo del filtro. Los filtros evitan que la suciedad propia del circuito, acorte la vida de los componentes. Aunque el grupo de accionamiento suele llevar filtros, éstos se pueden disponer en la instalación en función de las necesidades. 5.1.8 Control del grupo de accionamiento. El grupo de accionamiento contiene todos los elementos n escenarios para segurar el funcionamiento correcto con todas las medidas de seguridad y control pertinentes. Destacamos los componentes sobre su símbolo representativo. Ubicación de los elementos de seguridad y control en el grupo hidráulico. Válvula limitadora de presión: El grupo de accionamiento o grupo motriz debe contar con algún elemento de seguridad en caso de que los valores de presión sean superiores a los permitidos constructivamente. La válvula limitadora de presión se encarga de hacer esta labor. Manómetro: dentro del grupo hidráulico, el manómetro aporta una lectura constante de la presión en curso. 5.1.9. Grupo hidráulico El grupo hidráulico es el encargado de suministrar energía hidráulica en una instalación. Es un conjunto de elementos formado por: -Depósito -Bomba -Motor -Limitadora de presión -Filtro -Manómetro -El grupo hidráulico convierte energía mecánica (eléctrica), en energía hidráulica. -El caudal hidráulico puede ser fijo o variable. -El grupo hidráulico está protegido por una válvula limitadora de presión. -El conjunto dispone de varias vías, donde P indica origen de presión y T depósito o tanque -Una o dos mirillas, indiarán el nivel de llenado del depósito, ya que la bomba no puede trabajar en seco. Ejemplo de funcionamiento: Gráfico 1: La bomba extrae el fluído del depósito (P) y se transporta a través de una válvula para alimentar un actuador, en este caso un cilindro. Recibe la presión por el émbolo (parte trasera), que empuja al vástago hacia fuera. El fluído que etá en el cilindro en la parte delantera del émbolo se traslada al depósito. Gráfico 2. En este caso, la válvula tiene las vías cruzadas. La bomba extrae el fluido del depósito (P) y se transporta a través de una válvula para alimentar el actuador en sentido inverso, es decir, recibe la presión por la vía de salida (parte delantera), que empuma al vástago hacia adentro. El f´luído que está en el cilindro en la parte anterior al émbolo, se traslada al depósito (T). Ejemplo de funcionamiento de un circuito hidráulico compuesto por un grupo hidráulico, una válvula y un actuador, concretamente un cilindro de doble efecto. 5.2. Fluido hidráulico. El fluido empleado para aplicaciones hidráulicas a presión, debe ser el más adecuado para poder transmitir energía; además debe evitar que efectos como el óxido o la corrosión les afecte, por el lógico deterioro de los componentes. Asimismo, ya que circulará por el interior de los mecanismos, deberá realizar labores de lubricación. Sin duda, los aceites minerales son los más adecuados. El fluido es el elemento del sistema hidráulico capaz de aplicar a los actuadores la presión necesaria para que éstos efectúen un trabajo. Medida del flujo: El flujo se mide según su caudal Q o su velocidad V. Caudal: El caudal expresa la cantidad de fluído (el volumen de fluído ) que fluye en un tiempo determinado. Velocidad: La velocidad de un fluído expresa el volumen de fluido que se desplaza en un punto del circuito en un tiempo determijnado. Caudal (Q) = Velocidad (V).Área (A) Fricción: Es la fuerza que se ejerce cuando dos cuerpos entran en contacto, generalmente uno de ellos en movimiento. 5.2.1. Caída de presión por efecto de la fricción: A causa de la fricción, por los giros, curvas, estrechamientos el fluído con las canalizaciones, se reduce la presión en ciertos tramos, que deberá ser tenida en cuenta a la hora de definir una instalación. Este hecho lo podemos analizar tanto en sistemas cerrados como abiertos. 5.2.2 Viscosidad La viscosidad es la manera de medir la resistencia de un fluído que fluye, por tanto, la fluidez es el efecto contrario. La viscosidad se modifica por el calor; cuanto mayor es la temperatura del fluído, la viscosidad disminuye. La viscosidad es muy importante en un circuito hidráulico. Para que la medida de la viscosidad sea acertada, se tendrá en cuenta la temperatura del fluido cuando se realizó la medida. 5.2.3. Manómetro para fluídos. El manómetro es un transductor. Es un instrumento de medida e presión en recipientes cerrados. El más conocido es el de Tubo de Bourdon, donde un tubo en forma de arco recibe el fluído. La diferencia de presiones entre el interior y el exterior, hace que se mueva un mecanismo de resortes y muelles, que finalmente desplazan la aguja en función de la presión. El manómetro se situará en varios puntos del circuito, ya que la presión depende de varios factores. También encontramos manómetros junto a elementos de protección como limitadores de presión. Por ejemplo manómetro para control de la presión en los actuadores, en el retorno, o en los elementos de protección, como en la válvula limitadora de presión. 5.2.4. Conductos Para interconectar los componentes hidráulicos se usarán conductos rígidos y flexibles. Tanto unos como otros, deben dimensionarse para soportar la presión del circuito. El diámetro de las tuberías se debe calcular en cualquier caso, teniendo en cuenta el caudal previsto y la velocidad del flujo. Todos los componentes, accesorios como racores, acoplamientos rápidos, derivaciones en T, etc, deberán soportar igualmente los valores del circuito. Acoplamiento o enganche rápido. Se compone de una serie de mecanismos que permiten unir dos componentes hidráulicos sin necesidad de útiles de apriete. Uniones: Son un tipo de acople, que ayudan a la unión de conductos hidráulicos en T, sin necesidad de elementos de tornillería. En este tipo de dispositivos es importante considerar la presión máxima de trabajo. 5.3. Válvulas Las válvulas son los elementos que controlan los fluidos dentro del sistema hidráulico. Para ello, serán capaces de regular el caudal y la presión de los circuitos. Por su construcción, las válvulas podrán disponerse en sistemas de asiento o corredera. Posteriormente se conocerán sus aplicaciones concretas, dadas sus limitaciones técnicas. Existen las válvulas de asiento y las válvulas de corredera. Las válvulas de asiento son un tipo de válvulas en las que el paso del fluido se abre y se cierra mediante bolas, discos, placas o conos. En las válvulas de corredera, el paso del fluido se abre y se cierra mediante correderas cilíndricas, planas o circulares. En realidad es un émbolo, que al desplazarse a un lado u otro, lo que hace es unir o separar conductos. Simbología de las válvulas distribuidoras: el símbolo de la válvula lo compone principalmente el accionamiento de la misma, el número de vías que posee y las posiciones o estados que puede adoptar, por ejemplo: Es una válvula que se acciona por pulsador, tiene retorno por muelle y puede tener dos estados de funcionamiento. 5.4. Válvulas distribuidoras La válvula distribuidora se define por su constitución interna o modos de conmutación hidráulica, número de vías, método de activación y por su tamaño. La representación es similar a las válvulas neumáticas anteriormente vistas. Destacamos alguna de ellas. 5.4.1. Válvula 2/2 Esta válvula tiene dos posiciones claramente diferenciadas; paso abierto o bloqueo en ambas vías. Paso abierto en ambas vías. Bloqueo en ambas vías. 5.4.2. Válvula 3/2 Las dos posiciones de esta válvula realizan dos conmutaciones hidráulicas diferentes entre el origen de la presión, la vía de trabajo y el depósito. Válvula 3/2 pilotada Ejemplo: una válvula 3/2 accionada por pulsador y retorno por muelle, alimentará un cilindro de simple efecto, que a su vez elevará un objeto pesado. Cuando el pulsador se libera, la válvula une las vías de trabajo A con el tanque T, el peso del objeto obliga a que el fluido retorne al tanque mientras que el cilindro se va recogieno. Existe un manómetro para controlar la presión del circuito en la zona de trabajo. 5.4.3 Válvula 4/2 La válvula 4/2 (4 vías, dos posiciones), tiene varias combinaciones de trabajo respecto a sus vías que son: origen de presión P, depósito T y dos al trabajo A y B. A continuación se muestran las posiciones de trabajo habituales para sus vías. Ejemplo: Al accionar el pulsador eléctrico del grupo motriz, un motor hidráulico girará en un sentido de giro determinado. Una válvula 4/2 con retorno por muelle y manejada por palanca, permitirá invertir el sentido de giro del motor. https://es.slideshare.net/alberaq/manual-simboloshidraulicossimbologia 5.4.4 Válvula 4/3 Las tres posiciones de esta válvula, la hacen realmente versátil. Note aprovechando el ejemplo anterior, como con la posición intermedia, podemos optar al giro del motor en ambos sentidos, pero además, contamos con una posición intermedia en la cual el motor no girará. Las tres posiciones de esta válvula la hacen muy versátil. Aprovechando la posición intermedia, podemos optar al giro del motor en ambos sentidos, pero además, contamos con una posición intermedia en la cual el motor no girará. 5.4.5 Válvula 5/2 La válvula 5/2 (5 vías, dos posiciones), tiene varias combinaciones de trabajo respecto a sus vías que son, origen de presión P, dos vías a depósito, y dos al trabajo A y B. A continuación, se muestran las dos posiciones de trabajo habituales para sus 5 vías. En el primer caso, el origen de la presión P, aplica fluido a la conexión B del cilindro de doble efecto, lo que provoca la recogida de éste. Por otro lado, la conexión del cilindro se deriva a depósito T. Válvula 5/2 con cilindro de doble efecto. Conexión para la recogida del vástago. En el segundo caso, el origen de la presión P, aplica fluido a la conexión A del cilindro, que implica la extensión de éste. Por otro lado, la conexión B del cilindro se deriva a depósito T. Válvula 5/2 con cilindro de doble efecto. Conexión para la extensión del vástago. 5.5 Válvulas controladoras de presión: Este tipo de válvulas conmutan el fluído en caso de alteraciones del circuito, como sobrepresiones, o gestionan los conductos para que las presiones no superen valores determinados de funcionamiento. 5.5.1. Válvula limitadora de presión. https://josemiron.blogspot.com/2015/03/valvulas-de-presion.html Se emplean principalmente como válvulas de seguridad. Cuando el valor de presión en su entrada alcanza el prefijado para el mando, el mecanismo se abre hacia el depósito, hasta que el valor de presión baje de nuevo. Esta válvula se utilizará de manera permanente en circuitos hidráulicos. Válvula limitadora de presión. 5.5.3. Válvula reductora de presión Esta válvula mantiene constante la presión de salida, aunque la entrada fluctúe. La presión de salida no podrá ser superior a la presión de entrada. 5.6. Válvulas controladoras de caudal: Utilizan la estrangulación de la vía o un diafragma como métodos de control sobre los conductos. Tienen diversas utilidades, entre las que destacan el control de velocidad de los actuadores. Destacamos la válvula reguladora de caudal con antirretorno, ya que tiene un uso destacado en el control de la velocidad de los actuadores. Se compone de una válvula reguladora de caudal más una válvula antirretorno. Válvula reguladora de flujo unidireccional Válvula reguladora de caudal variable con antirretorno. 5.7. Válvulas antirretorno Dejan pasar el fluido en un sentido y no en el otro. 5.9. Actuadores lineales. Cilindros. Los cilindros hidráulicos son actuadores del tipo lineal; por tanto ejecutan su trabajo en una dirección. Aunque existen diversidad de modelos, adaptables a la infinidad de requisitos mecánicos, en general, por su tecnología de funcionamiento los agrupamos en cilindros de simple y doble efecto. 5.9.1 Cilindros de simple efecto Los cilindros hidráulicos de simple efecto, reciben el fluído por la vía anterior al émbolo, obligando al conjunto émbolo-vástago a su avance. Para el retroceso, se usará la fuerza que aplica una masa al vástago, consiguiendo que el fluido se derive al depósito T. 5.9.2 Cilindros de doble efecto: El cilindro de doble efecto no dispone de muelle de retroceso, pero utiliza el fluido en sentido inverso para esa acción. Para el avance del vástago, se aplicará fluido a presión por la vía trasera, el cual empuja al émbolo haciendo salir el conjunto. Para el retroceso se aplicará presión en la vía delantera, lo que ocasiona la evacuación del fluido anterior hacia el depósito. 5.10 Actuadores hidráulicos giratorios. Motores. Son dispositivos que cuentan con dos
