DISEÑOS HIDRAULICOS

INTRODUCCION A LA HIDRAULICA

El estudio de la hidráulica tiene que ver con el uso y características de los líquidos. Desde siempre, el hombre ha usado líquidos para suavizar su carga.

Las anotaciones más antiguas de la historia muestran que artículos tales como bombas y ruedas de agua eran conocidas en tiempos muy remotos. Sin embargo, has el Siglo XVII fue que la rama de la hidráulica, con la que vamos a trabajar, se empezó a usar. El principio descubierto por el científico francés Pascal dice:

La presión aplicada a un fluido confinado se transmite sin disminución de fuerza en todas direcciones y actúa con fuerza igual y en áreas iguales en los ángulos correspondientes.

Definiendo presión.

Para poder determinar la fuerza total ejercida en una superficie, es necesario saber la presión o fuerza en la unidad de área. Normalmente expresamos está presión en Libras Por Pulgada Cuadrada ( psi). Conociendo la presión y el número de pulgadas cuadradas del área en la que se está ejerciendo la fuerza, se puede fácilmente determinar la fuerza total.

La ley fundamental de los físicos dice que la energía no se puede crear o destruir.

Transmisión de potencia hidráulica.

La hidráulica se puede definir como un medio de transmitir potencia al empujar sobre un líquido confinado. El componente de empuje de entrada del sistema se llama una bomba y el empuje de salida es un actuador.

Para simplificar las cosas hemos mostrado un pequeño pistón sencillo, la mayoría de las bombas de potencia dirigida necesitarán muchos pistones, paletas o engranes según los elementos de bombeo. Los actuadores son lineales, como el cilindro mostrado, o rotatorio como los motores hidráulicos.

El sistema hidráulico no es una fuente de energía. La fuente de energía es un primer impulsor tales como un motor eléctrico un motor que impulse la bomba.

Las ventajas de la hidráulica.

Velocidad variable.

La mayoría de los motores eléctricos trabajan a una velocidad constante. También es deseable operar una máquina a una velocidad constante. Sin embargo, el actuador (lineal o rotatorio) de un sistema hidráulico puede ser dirigido a infinidad de velocidades variables al variar el abastecimiento de la bomba o usando una válvula de control de flujo.

Reversible.

Algunos de los primeros impulsadores son reversibles. Y esos que son reversibles normalmente se les baja la velocidad hasta un paro total antes de invertirlos. Un actuador hidráulico puede ser invertido en plena operación sin que se dañe. Una válvula direccional de 4 pasos, o una bomba reversible pueden dar el control de inversión, mientras que una válvula de alivio de presión protege los componentes del sistema de presión excesiva.

Protección de sobrecarga.

La válvula de alivio de presión de un sistema hidráulico lo protege del daño que causa la sobrecarga. Cuando la carga excede el ajuste de la válvula, el abastecimiento de la bomba es dirigido al ta a compatibilidad de su presión, pueden dar una alta fuerza de salida siendo éstos muy pequeños y ligeros.

Pueden ser parados.

Parar un motor eléctrico causaría daños o fundiría un fusible. Igualmente las máquinas no se pueden para sin la necesidad de volverlas a prender. Sin embargo, un actuador hidráulico puede ser parado sin causar daños cuando esté sobrecargado y arrancará inmediatamente cuando le reduzcan la carga. Mientras esté parado, la válvula de alivio simplemente desviará el abastecimiento de la bomba al tanque. La única pérdida causada será el desperdicio de caballos de fuerza.

Aceite hidráulico.

Cualquier líquido es esencialmente incompresible y por eso transmite la fuerza instantáneamente en un sistema hidráulico. Por cierto, el nombre de hidráulico viene de la palabra griega Hidros que quiere decir agua y aulos que quiere decir tubo. La primera prensa hidráulica Bramah y algunas de las prensas en servicio hoy, usan agua como medio de transmisión.

Sin embargo, el líquido más comúnmente usado en los sistemas hidráulicos es el aceite de petróleo. El aceite transmite la potencia fácilmente porque es muy poco compresible. Este se comprimirá, un medio del uno por ciento en una presión de 1000 psi, mínima cantidad en la mayoría de los sistemas. La propiedad más deseada del aceite es su habilidad de lubricación. El líquido hidráulico debe lubricar la mayoría de las partes móviles de los dos componentes.

Presión en una columna de fluido.

El peso de un volumen de aceite varía de grado, como su viscosidad (espesor). Sin embargo, la mayoría del aceite hidráulico pesa de 55 a 58 libras por pie cúbico en porcentajes de operación normales.

Una consideración importante del peso del aceite es el efecto de éste en la entrada de la bomba. El peso del aceite causará una presión de .4 psi, mas o menos, al fondo de una columna de aceite de un pie. Por cada pie adicional de peso, éste será .4 psi más. Así que, para estimar la presión de cualquier columna de aceite, simplemente multiplique lo alto por .4 p

Para aplicar este principio, considere en donde está el depósito de aceite arriba o debajo de la entrada del abastecimiento de la bomba. Cuando el nivel del depósito de aceite está más arriba de la entrada de la bomba, se tiene una presión positiva para forzar el aceite dentro de la bomba. Sin embargo, si la bomba está localizada arriba del nivel de aceite, un vacío equivalente a .4 psi por pie se necesita, para levantar el aceite a la entrada de la bomba. Realmente el aceite no es levantado por el vacío, ya que es forzado por la presión atmosférica dentro del vacío creado a la entrada de la bomba, cuando la bomba está funcionando. El agua y varios fluidos hidráulicos resistentes al fuego son más pesados que el aceite, y por eso requieren más vacío para levantarlos.

La presión atmosférica carga la bomba.

Normalmente la entrada de la bomba se carga con aceite por medio de la diferencia de presión entre el depósito y la entrada de la bomba. Usualmente la presión en el depósito, es presión atmosférica, que es de 14.7 psi en un mediador absoluto. Entonces es necesario tener un vacío parcial o reducir la presión a la entrada de la bomba para crear flujo.

La figura muestra una situación típica para una bomba hidráulica de palanca, la cual es simplemente un pistón recíproco. En el golpe de entrada, el pintón crea un vacío parcial en la cámara bombeadora. La presión atmosférica en el depósito empuja el aceite dentro de la cámara, para llenar el hueco. (En un a bomba rotatoria el bombeo sucesivo de las cámaras aumenta en tamaño cada vez que pasan por la entrada, creando efectivamente una condición idéntica en el hueco).

Si fuese posible "jalar" un completo vacío a la entrada de la bomba, ahí habría disponibles 14.7 psi para empujar el aceite hacia dentro, sin embargo, prácticamente la diferencia de presión disponible debería ser mucho menor. Por una cosa, los líquidos se vaporizan en un vacío. Esto pone burbujas de gas en el aceite. Las burbujas pasan a través de la bomba, estallando con fuerza considerable, cuando se encuentran con una carga de presión en la salida y causan daño y desajustan el funcionamiento de la bomba y reducen su duración.

Aún teniendo el aceite buenas características de presión evaporada (como son casi todos los aceites hidráulicos) una línea de entrada de presión muy baja (alto vacío) permite que el aire se disuelva en el aceite que va de salida. Esta mezcla del aceite también choca cuando es expuesto a cargas de presión y causa el mismo daño de la cavitación. Impulsando la bomba a una muy alta velocidad aumenta la velocidad en la línea de la entrada y consecuentemente aumenta la condición de baja presión, más adelante aumentando la posibilidad de cavitación.

Si los ajustes de la línea de entrada no están bien apretados, el aire puede ser forzado dentro del área de más baja presión de la línea por la presión atmosférica y ser arrastrado dentro de la bomba. Esta mezcla de aire y aceite puede causar problemas y ruido también, pero es diferente a la cavitación. Cuando se expone a presión en la salida de la bomba, este aire adicional es comprimido a que forme el efecto de un cojín, y no explote con violencia. Este no es disuelto en el aceite pero pasa a través del sistema en forma de burbujas comprimibles lo que causa que el funcionamiento de la válvula y el actuador sean erróneos.

La mayoría de los fabricantes de bombas recomiendan un vacío no mayor de 5 pulgadas de mercurio (pulg. hg.) el equivalente de más o menos 12.2 psi absoluto en la entrada de la bomba. Con la presión atmosférica de 14.7 psi en el depósito, esto deja solamente 2 ½ psi de diferencia de presión para empujar el aceite dentro de la bomba. Un levantamiento excesivo debe ser evitado y las líneas de entrada de la bomba debieran permitir que el aceite fluya con la menor resistencia.

El desplazamiento positivo de la bomba crea flujo.

La mayoría de las bombas usadas en los sistemas hidráulicos están clasificadas como de desplazamiento. Esto quiere decir que, excepto para los cambios en eficiencia, el rendimiento de la bomba es constante sin importar la presión. La salida está positivamente sellada desde la entrada, para que así lo que entre sea forzado hacia fuera por el orificio de salida.

El único propósito de la bomba es el de crear flujo; la presión es causada por la resistencia del flujo.

Aunque la tendencia común es culpar a la bomba de pérdida de presión, con pocas excepciones la presión se puede perder solamente cuando hay un paso de fuga que desviará todo el flujo de la bomba.

Para ilustrarlo, supongamos que una bomba de l0 galones por minuto (gpm) se usa para empujar el aceite bajo un pistón de l0 pulgadas cuadradas y levantar 8000 libras de carga. Cuando se está levantando la carga o soportándola por el aceite hidráulico, la presión debe de ser de 800 psi.

Aunque un agujero en el pistón permitiera una fuga de 9 ½ gpm a 800 psi, la presión se mantendrá. Con solo ½ gpm disponibles para mover la carga, ésta, naturalmente, se elevará muy lentamente. Pero la presión necesaria para hacerlo se mantendrá igual.

Ahora imagínense que una fuga de 9 ½ gpm está en la bomba en lugar de en el cilindro. Aún habría 1/2 gpm moviendo la carga y también aún habría presión. Así que una bomba puede ser mal usada, perder casi toda su eficiencia y la presión se puede seguir manteniendo. El mantener La presión solamente no es un indicador de la condición de la bomba. Es necesario medir el flujo a una presión dada, para determinar si la bomba está en buenas o malas condiciones.

Como se crea la presión.

La presión se crea cuando el flujo encuentra resistencia. La resistencia puede venir de una carga en un actuador o una restricción (u orificio) en la tubería.

Caída de presión a través de un orificio.

Un orificio es un pasaje restringido en una línea o componente hidráulico, usado para controlar el flujo o crear una diferencia de presión (caída de presión).

Para que el aceite pueda fluir a través de un orificio, debe de haber una diferencia de presión o una caída de presión a través de un orificio. (El término caída viene del factor de una presión menor porque la presión menor siempre viene de una corriente abajo). Conversamente, si no hay flujo, no hay diferencia de presión a través del orificio.

A continuación veremos las formulas necesarias para hacer los cálculos de un diseño y algunos problemas resueltos.

Para calcular la presión que es generada por medio de la resistencia a una carga viene dada así: La presión es igual a la fuerza de la carga dividida por el área del pistón.

Podemos expresar esta relación con la fórmula:

En esta relación: P es presión en PSI (libras por pulgada cuadrada).

F es fuerza en libras.

Es el área en pulgadas cuadradas.

De esto se puede deducir que un aumento o disminución en la carga dará como resultado a algo parecido al aumento o disminución de presión operante. En otras palabras, la presión es proporcional a la carga y al leer un medidor de presión indicará el trabajo de la carga (en PSI en cualquier momento).

Las lecturas del medidor de presión normalmente ignoran la presión atmosférica. Esto es, un medidor estándar marca cero en la presión atmosférica. Un medidor absoluto da una lectura de 14.7 PSI al nivel del mar que es la presión atmosférica. La presión absoluta es usualmente designada "PSIA".
 
 

La fuerza es proporcional a la presión y al área.

Cuando un cilindro hidráulico se usa para sujetar u oprimir, su fuerza de salida se puede resumir como sigue:

Calculando el área de un pistón.

El área de un pistón o del ariete hidráulico puede ser calculado con esta fórmula:

Donde: A es el área en pulgadas cuadradas.

D es el diámetro del pistón en pulgadas.

La velocidad de un actuador.

Que tan rápido se desliza el cilindro o rote un motor depende de su tamaño y del porcentaje de aceite que fluya dentro de ellos. Para relacionar el porcentaje de flujo a la velocidad, considere el volumen que debe llenarse en un actuador para efectuar un deslizamiento especificado.

La formula se puede expresar como sigue:

Como conclusión sacamos: 1) que la fuerza o torsión de un actuador es directamente proporcional a la presión e independientemente al flujo, 2) que su velocidad o porcentaje de movimiento dependerá de la cantidad de flujo fluido sin tomar en cuenta la presión.

La velocidad en la tubería.

La velocidad a la que el fluido hidráulico fluye a través de las líneas es una consideración muy importante en el diseño por el efecto de la velocidad en la fricción.

Generalmente, los porcentajes de velocidad recomendados son:

Línea de la entrada de la bomba 2-4 pies por segundo.

Líneas de trabajo 7-20 pies por segundo.

En esta consideración, se debe tomar en cuenta que:

1.- La velocidad del fluido varía inversamente con el cuadrado del diámetro interno.

2.- Normalmente, la fricción del fluido que fluye a través de la línea es proporcional a la velocidad. Sin

embargo si el flujo se vuelve turbulento la fricción varía así como el cuadrado de la velocidad.

Duplicando el diámetro interior de una línea, cuadruplica el área de sección transversal aunque la velocidad es solamente una cuarta de la velocidad en la línea larga. Conversamente, angostando el diámetro disminuye el área a ¼ y cuadriplica la velocidad del aceite.

La fricción crea turbulencia en el fluido del aceite y naturalmente se resiste al fluido, esto nos da como resultado una caída de presión, a través de la línea. Una velocidad muy baja se recomienda para la línea de la entrada de la bomba porque ahí se puede tolerar muy poca caída de presión.

Determinando los requerimientos del tamaño de la tubería.

Hay dos líneas para medir las líneas hidráulicas.

Si se saben los gpm (galones por minuto) y la velocidad, use esta fórmula para saber el área interior de la sección transversa:

Cuando los gpm y el tamaño del tubo se saben, use esta fórmula para saber que velocidad habrá.

Porcentaje de los tamaños de las líneas.

El porcentaje nominal en pulgadas para tubería, líneas, etc., no son indicadores exactos del diámetro interior de la tubería.

En las líneas estándar, el diámetro real interior es mayor que el tamaño nominal dado.

Para los tubos de acero y cobre, el tamaño nominal es el diámetro exterior. Para saber el diámetro interior reste dos veces el grueso de la pared del tubo.

Potencia y trabajo.

Cuando una fuerza o un empuje se ejerce a través de una distancia, el trabajo está hec ma potencia.

Para visualizar la potencia, piense en subir un piso de escaleras. El trabajo hecho es el peso del cuerpo multiplicado por la altura de la escalera. Pero es más difícil correr hacia arriba que subirlas paso a paso. Cuando usted corre, hace el mismo trabajo sólo que en un porcentaje más rápido.

La unidad estándar de potencia es caballos de fuerza, abreviando HP. Esto equivale a que 33,000 libras se levantaron un pie en un minuto. También tiene el equivalente en potencia eléctrica y en calor.

1 HP = 746 watts (potencia eléctrica).

1 HP = 42.4 btu/minuto (potencia de calor).

Obviamente, es preferible el poder convertir la potencia hidráulica a caballos de fuerza para que así las potencias mecánica, eléctrica o de calor sean conocidas.

Caballos de fuerza en un sistema hidráulico.

En el sistema hidráulico la velocidad y la distancia se indican por medio de lo gpm que fluyen y la fuerza de presión. Así entonces, podemos expresar la potencia hidráulica así:

Para cambiar la fórmula a las unidades mecánicas podemos usar estos equivalentes:

1 galón = 231 pulgadas cúbicas.

12 Pulgadas = 1 pie.

Así tenemos que:

Esto nos da un equivalente de la potencia mecánica del fluido de un galón por minuto a un psi de presión. Para expresarlo como caballos de fuerza, dividido por 33,000 pies-libras/minutos:

Así que, el fluido de un galón por minuto a un psi es igual a 0.000583 HP. El total de los caballos de fuerza en cualquier condición de fluido es:

HP = gpm * psi * 0.000583

HP = gpm * psi / 1000 * 0.583

HP = gpm * psi / 1714

La tercer fórmula se obtiene al dividir 0.583 en 1000.

Estas fórmulas de caballos de fuerza nos dicen la potencia exacta que se está usando en el sistema. Los caballos de fuerza requeridos para impulsar la bomba serán algo más altos que esto, ya que el sistema no es 100% eficiente.

Si tomamos en cuenta un porcentaje de eficiencia de 80%, esta fórmula se puede usar para calcular la potencia de entrada requerida:

Caballos de fuerza y torsión.

También es a menudo deseable el convertir de caballos de fuerza a torsión sin computar la presión y el flujo.

Estas son fórmulas generales de trosión-potencia para cualquier equipo rotatorio:

La torsión en esta fórmula debe ser en libras-pulgadas.

Diseñando un sistema hidráulico sencillo.

De la información antes dada, es posible diseñar un circuito hidráulico sencillo. Seguirlo es una simple descripción de cómo se va a hacer el trabajo.
 
 

Un trabajo para hacer.

Todos los diseños de circuitos deben empezar con un trabajo por hacer. Hay un peso que levantar, una cabeza de herramienta que girar o una pieza que debe ser prensada.

El trabajo determina el tipo de actuador que se va a usar. Si sólo se requiere levantar una carga, un cilindro hidráulico colocado debajo de ésta, hará el trabajo. Lo largo de la carrera del cilindro será cuando menos igual a lo largo de la distancia que la carga se tiene que mover. Su área está determinada por la fuerza requerida para levantar la carga y la presión operante deseada.

El desplazamiento de arriba abajo del cilindro será controlado con una válvula direccional, si la carga se tiene que para en un punto intermedio de su desplazamiento, la válvula direccional deberá tener una posición neutral el la cual el fluido de aceite de la parte de abajo del pistón sea bloqueada para soportar la carga en el cilindro. El porcentaje al cual debe de desplazarse determinará el tamaño de la bomba.

Los caballos de fuerza necesarios para impulsar la bomba está en función de su abastecimiento y la máxima presión a la cual funcionará.

Para evitar la sobrecarga del motor eléctrico y proteger la bomba y otros componentes de presión excesiva debido a las sobrecargas o atascamientos, un juego de válvulas de alivio deberá ser instalado en le línea entre la salida de la bomba y el orificio de entrada de la válvula direccional, para limitar la presión máxima del sistema.

Un depósito del tamaño aproximado de dos a tres veces la capacidad de la bomba en galones por minuto y unas adecuadas interconexiones de tubo complementarían el sistema.