sistemas hidráulicos de transmisión de potencia

22/7/2015 SistemasHidrulicosdeTransmisindePotencia

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TutorialN212

SistemasHidrulicosdeTransmisindePotencia

ndicedecontenidos:

1Introduccin

1.1Fundamentos

1.2Ventajaseinconvenientes

2Componentesdelsistema

2.1Fluidohidrulico

2.2Depsitohidrulico

2.3Filtros

2.4Bombahidrulica

2.5Cilindroactuador

2.6Tuberashidrulicas

2.7Vlvulas

3Procedimientodeclculo

3.1Clculodelcilindrohidrulico

3.2Clculodelastuberas

ANEXOS:

A.1SmbolosHidrulicos

A.2CodificacindelosCilindrosHidrulicos

CATLOGOSDEPRODUCTOSYESPECIFICACIONESTCNICAS:

Cilindroshidrulicosdesimpleydobleefecto,cilindrosparaelvolteodearado,tercerpunto,piehidrulico,brazolateral...

Bombashidrulicasmanualesdesimpleydobleefecto,depsitosparaaceitehidrulico,palancasdeaccionamientodelabomba...

Vlvulashidrulicas,detipoelectrovlvulasyvlvulasenlnea

Distribuidores

Motoreshidrulicos

Manguerasyracores

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Mircoles,22deJuliode2015
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v2+P+gz=constante

2

1Introduccin

1.1Fundamentos

Losfundamentosdelahidrulicasebasanendosprincipiosfundamentalesdelafsica,asaber:

PrincipiodePascal:elcualexpresaquelapresinqueejerceunfluidoincompresibleyenequilibriodentrodeunrecipientedeparedesindeformablessetransmiteconigualintensidadentodaslasdireccionesyentodoslospuntosdelfluido.

PrincipiodeBernoulli:exponequeenunfluidoideal(sinviscosidadnirozamiento)enrgimendecirculacinporunconductocerrado,laenergaqueposeeelfluidopermanececonstantealolargodesurecorrido.

Laenergadeunfluidoencualquiermomentoconstadetrescomponentes:cintica(queeslaenergadebidaalavelocidadqueposeeelfluido),potencialogravitacional(queeslaenergadebidoalaaltituddelfluido),yunaenergaquepodramosllamarde"flujo"(queeslaenergaqueunfluidocontienedebidoasupresin).

Enlasiguienteecuacin,conocidacomo"EcuacindeBernoulli"expresamatemticamenteesteconcepto:

siendo,

vlavelocidaddelfluidoenlaseccinconsiderada

ladensidaddelfluido

Peslapresindelfluidoalolargodelalneadeflujo

glaacelaracindelagravedad

zlaalturaenladireccindelagravedaddesdeunacotadereferencia.

Lossistemashidrulicos,objetodeestudiodeestetutorial,constituyenunadelasformastecnolgicasqueactualmenteempleamosparalatransmisindepotenciaenmquinas.Todosistemahidrulicoestcompuestodelossiguienteselementosprincipales:

Undepsitoacumuladordelfluidohidrulico

Unabomba impulsora, que aspirandoel fluido desdeel depsito crea el flujo en el circuitohidrulico

Vlvuladecontrolquepermitecontrolarladireccindemovimientodelfluido

Actuadoropistnhidrulico,quepuedeserdesimpleodobleefecto,siendoelelementoquetransmitelafuerzafinal

Reddeconductosporelquecirculaelfluidodesdelabombahastalosactuadoresyretornaaldepsitoacumulador

Filtrosdelimpiezadelfluidohidrulico

Vlvuladealivio,queproporcionaunasalidaalsistemaencasodeproducirseunaumentoexcesivodelapresindelfluidodentrodelcircuito.

1.2Ventajaseinconvenientes

Acontinuacinseexponenalgunasventajaseinconvenientesdelossistemashidrulicosfrenteaotrossistemasconvencionalesdetransmisindepotencia:

a)Ventajas:

Lossistemashidrulicospermitendesarrollarelevadosratiosdefuerzaconelempleodesistemasmuycompactos.

Permitenlaregulacincontinuadelasfuerzasquesetransmiten,noexistiendoriesgodecalentamientoporsobrecargas.

Sonelementosmuy flexiblesyquepuedenadaptarseacualquiergeometra,graciasa la flexibilidadde losconductosqueconducenelaceitehidrulicohastalosactuadores.

Los actuadores o cilindros hidrulicos sonelementos reversibles, quepuedenactuar en unou otro sentido y queademspermitensufrenadaenmarcha.Ademssonelementosseguros,haciendoposiblesuenclavamientoencasodeproducirseunaaveraofugadelfluidohidrulico.



b)Inconvenientes:

Labajavelocidaddeaccionamientodelosactuadoresopistoneshidrulicos.

Laaltapresindetrabajoexigelaboresdemantenimientopreventivos(vigilanciadeposiblesfugasenlasjuntas).

Sistemanomuylimpio,debidoalapresenciadeaceitesofluidoshidrulicos.

Engeneral,esunsistemamscaroqueotros,porejemplolossistemasdeairecomprimido.

2Componentesdelsistema

2.1Fluidohidrulico

Paraqueunfluidopuedaserempleadocomo lquidodelcircuitodeunsistemahidrulico,stedeberpresentar lassiguientespropiedades:

Serunfluidoincompresibleparaunrangoampliodepresiones

Ofrecerunabuenacapacidaddelubricacinenmetalesygomas

Buenaviscosidadconunaltopuntodeebullicin ybajopuntode congelacin (el rangode trabajodebeoscilarentre70Chasta+80C)

Presentarunpuntodeautoignicinsuperior,almenosalos100C

Noserinflamable

Serqumicamenteinerteynocorrosivo

Serunbuendisipadordecalor,alfuncionartambincomorefrigerantedelsistema

Presentarbuenascondicionesencuantoasualmacenamientoymanipulacin.

Losfluidoshidrulicospresentesenelmercadosepuedenagrupar,engeneral,entresgrandesgrupos:

1Fluidossintticosdebaseacuosa:sonresistentesalainflamacin.Asuvez,sesubdividenendostipos:

Emulsionesdeaguayaceite.Enestetipodefluidos,ademsdelaceitedebasemineralemulsionableseempleanaditivosqueleconfierenpropiedadesantioxidantes,antidesgaste,etc.

Solucionesdeaguaglicol.Mezclasde40%glicoly60%agua,msaditivosespeciales.

2Fluidossintticosnoacuosos:soncompuestossintticosorgnicos(fosfatossteressimplesoclorados,hidrocarburoscloradosysilicatossteres).Soncaros,peropresentanunpuntodeinflamacinmuyalto.

3Aceitesmineralesosintticos:sonhidrocarburosextradosdelpetrleoalosqueseleaadenaditivosqumicos,quelesconfiereunasbuenasprestacionesauncosterelativamentebajo.Sonlosmsusadoscomercialmente.

La formade denominar a los fluidos hidrulicos est regulada segn la normaDIN51524 y 51525.As, los fluidos hidrulicossiguiendoestanormativasedenominan todoscon la letraH a laquese leaadenotras letras,para indicarel tipodeaditivosopropiedadesdelfluido.Acontinuacin,semuestraladesignacindelosfluidoshidrulicossegnsutipo:

Aceitesmineralesosintticos:

HH:sisetratadeunaceitemineralsinaditivos

HL:sisetratadeunaceitemineralconpropiedadesantioxidantesyanticorrosivas

HP(HLP):aceitetipoHLconaditivosquemejoranlaresistenciaacargas

HM(HLM):aceitemineraltipoHLqueincluyeademsaditivosantidesgaste

HV:aceitetipoHMqueademsincorporaaditivosquemejoransundicedeviscosidad.

En ocasiones, a las siglas anteriores se les agrega un nmero que indica el coeficiente de viscosidad segn DIN 51517(clasificacindeviscosidadsegnISO).Ejemplo,HLP68,queindica:



ISOGradosdeviscosidad

Viscosidadcinemtica(mm2/s)a40C

Mn. Mx.

ISOVG10 9,0 11,0

ISOVG22 19,8 24,2

ISOVG32 28,8 35,2

ISOVG46 41,4 50,6

ISOVG68 61,2 74,8

ISPVG100 90,0 110,0

H:setratadeaceitehidrulico

L:conaditivosparaproteccinanticorrosivas,conpropiedadesantioxidantes

P:poseeaditivosquemejoralacarga

68:cdigodeviscosidad,segnDIN51517.

Fluidossintticosdebaseacuosa:

HFA:emulsindeaceiteenagua(contenidodeagua:8098%)

HFB:emulsindeaguaenaceite(contenidodeagua:40%)

HFC:solucindepoliglicoles(contenidodeagua:3555%)

HFD:lquidosanhdricos(contenidodeagua:00,1%).

Fluidossintticosnoacuosos:

HFDR:aceiteabasedeesterfosfatos

HFDS:aceiteabasedehidrocarburoshalogenados

HFDT:aceiteabasedemezcladelosanteriores.

Porotrolado,lapropiedadquemsdistingueunfluidohidrulicodeotroeslamedidadesuviscosidad.LanormaDIN51524definelossiguientesgradosparalallamadaviscosidadcinemtica,segnlatablasiguiente:

Tabla1.GradosdeviscosidadISO

Decirquelaviscosidadcinemticaeselcocienteentrelaviscosidadabsolutayladensidaddelfluido.EnelS.I.suunidadeselm2/s,mientrasqueenelsistemaC.G.S.suunidadeselcm2/s,quesedenominastokes(St).

Porotrolado,launidadenelS.I.delaviscosidaddinmicaoabsolutaeselkg/(ms)Pas.EnelsistemaC.G.S.,launidaddelaviscosidadabsolutaesg/(cms),quesedenominapoise(P).

LaviscosidaddelaceitelubricanteseexpresaconunnmeroSAE,definidoporlaSocietyofAutomotiveEngineers.LosnmerosSAEestndefinidoscomo:5W,10W,20W,30W,40W,etc.EnlasiguientetablaseindicalacorrelacinSAEISO:



Viscosidadcinemtica(mm2/s)

Lmiteinferior 10

Rangoidealdeviscosidad de15a100

Lmitesuperior 750

GradosdeFiltracin,enm TipodeSistemaHidrulico

Tabla2.CorrelacinentregradosdeviscosidadSAEISO

Todoslosaceiteslubricantesseadelgazancuandosutemperaturaaumentayporelcontrario,seespesancuandosutemperaturadisminuye.Silaviscosidaddeunaceitelubricanteesmuybaja,habrunexcesivoescapeporlasjuntasylossellos.Silaviscosidaddelaceitelubricanteesmuyalta,elaceitetiendea"pegarse"ysenecesitarmayorfuerzaparabombearloatravsdelsistema.Seadjuntaunatablaconlosrangospermitidosdeviscosidadparalosfluidoshidrulicos.

Tabla3.Rangodevaloresdelaviscosidadcinemtica

2.2Depsitohidrulico

Eldepsitootambinllamadotanquehidrulico,cumpleconvariasfunciones:

Ademsdeservir,comousomsinmediato,dedispositivopordondeserealizaelllenadoyvaciadodefluidohidrulico,sirvetambincomodepsitopulmndesdedondeserealizalaaspiracinporpartedelabomba.

Sirvetambincomoelementodisipadordecaloratravsdelasparedesdeltanque,refrigerandoaselaceitecontenidoensuinterior.Paraello,esnecesarioqueelaceitetengauntiempoderesidenciamnimoenelinteriordeltanquedealmenos12minutos.Asenfuncindelcaudaldelabomba,sepodradisearelvolumendeltanque.Enefecto,paraunabombaconuncaudaldediseo,porejemplo,de10l/min,harafaltauntanqueconcapacidaddealmenos20litros.

Alservircomodepsitoderemansodelaceite,seusatambinparaladeposicinenelfondodepartculasycontaminantesquesepuedanarrastrardelcircuitohidrulico,evitndoseasquevuelvanarecircular.

Adems,paraaumentareltiempoderesidenciadelaceiteeneltanque,secolocanensuinteriorunosdeflectoresquesirvenparadirigirlacirculacindelaceiteporelinteriordeltanque.Conelloseconsiguemayortiempodeestanciadelaceiteeneldepsito,ydalugar paraque los contaminantes sedepositenenel fondodel tanque, ademsde favorecer la evaporacindel aguaquepuedacontenerelaceitedisueltoylaseparacindelaire.

Parauncircuitohidrulicosepuedenfabricardostiposdetanques:presurizadosyventilados.

Los presurizados estn sellados, evitndose as que penetre la suciedad y la humedaden suinterior.Lapresininternaquesegeneraamedidaquesecalientaelfluidohidrulicotambinsirveparaempujarelaceitehacia labomba,evitandoqueseproduzca lacavitacinde lamisma.Noobstante,comomedidadeseguridadsedebeinstalarunavlvulahidrulicadealivio,queseutilizaparaevitarquesepuedaalcanzarunexcesodepresinamedidaqueelaceitesecalienta,yquepudieraexcederlaseguridaddeltanque.

Porotro lado, los tanquesventilados,alestarabiertosa laatmsfera,permitenquehayacompensacindepresincuandoseproducencambiosenlosnivelesoenlatemperaturadelaceite,ynonecesitandevlvuladealivio.

SeadjuntalasimbologaISOdelostanqueshidrulicos,segneltipo:

Figura3.Esquemaderepresentacindeuntanquehidrulico

2.3Filtros

La filtracin del fluido hidrulico es necesaria para evitar que la suciedad producida por el funcionamiento normal del sistematermineafectandoaelementossensiblesdelainstalacin,comopuedanser,vlvulasolapropiabombahidrulica.

Enlasiguientetablaserecogenlosdistintosgradosdefiltracinexigidos,segnlaaplicacindelsistemahidrulico.



12 Para impurezas finas en sistemas altamente sensibles con gran fiabilidad,preferentementeenaviacinylaboratorios.

25 Para sistemas demando y control sensibles y de alta presin, con aplicacionesfrecuentesenlaaviacin,robotsindustrialesymquinasherramientas.

510 Parasistemashidrulicosdealtacalidadyfiabilidad,conprevisiblelargavidatildesuscomponentes.

1020 Para hidrulica general y sistemas hidrulicos mviles, que manejen presionesmedianasytamaosintermedios.

1525 Parasistemasdebajapresinenlaindustriapesadaoparasistemasdevidatillimitada.2040 Parasistemasdebajapresinconholgurasgrandes.

Tabla4.Gradosdefiltracinyaplicaciones

Cualquier filtro estar compuesto de una carcasa exterior o envolvente, que contendr en su interior el material filtrante.Adicionalmente,dispondrdeunavlvuladebypass, tipoantirretorno,queseabrircuandoelmaterial filtranteestcolmado,demaneraquepermitaunbypassopasodelflujodelfluidohidrulicoevitandoasqueelcircuitosecolpaseporculpadelatascoenelfiltro.

Figura4.Esquemaysmbolodefiltrohidrulico

Unfiltropuedeocupardiversasposicionesdentrodelcircuitohidrulico,ofreciendoprestacionesmuydiversassegnseexplicaacontinuacin:

Filtrosituadoenlaaspiracindelabomba:eslamejorposicinsiloquesepretendeesprotegeralabomba.Noobstante,aumentaelriesgoqueseproduzcacavitacinensuaspiracindebidoalaprdidadecargaqueseoriginaenelfluidoporsupasoporelfiltro.Porello,sisecolocaelfiltroenestaposicin,stedebeserdeuntipoqueofrezcapocaprdidadecargalocalizada,comopuedanserlosdetipodemallasmetlicasylosfiltrosdesuperficieconhuecosdetamaogrande.Evidentemente,estosetraducequeelgradodefiltracinconseguidanoseamuybuena.El tamaode laspartculasfiltradascolocandoel filtroenestaposicinsonrelativamentegrandes,encontrndoseenelrangodelos50a100m.

Figura5.Filtradoenlaaspiracin

Filtrosituadoenelconductodeimpulsin:dadasusituacin,enlasalidadelabomba,sesitaenlalneadealtapresin.Estocondicionaquelosfiltrosassituadosrequierandeunamayorrobustez.Noobstante,enestaposicinseconsiguenfiltradosmsexigentes,estandoeltamaodelaspartculasretenidasenelrangodelos10a25m.



Elementohidrulico Posicinrecomendadadelfiltro Gradodefiltracin,enm

BombadembolosaxialesLneaderetornoy/olneadepresin 25

Lneadebajapresin 25

Bombas de engranajes y mbolosradiales Lneaderetorno 63

Vlvulasdistribuidoras,depresin,decaudalycierrecilindros Lneadeaspiracin 63

Motoreshidrulicos Lneaderetorno 25

Figura6.Filtradoenlaimpulsin

Filtroenelcircuitoderetornoaldepsito:adiferenciadeloscasosanteriores,colocandoelfiltroenlatuberaderetornoaldepsitoseevitanlosproblemasderesistenciaalapresin,olosriesgosdecavitacinenlaaspiracindelabomba.Paraestaposicin,eltamaodelaspartculasqueseconsiguefiltrarseencuentraentre25y30m.

Figura7.Filtradoenelretorno

Filtrosituadoencircuitoindependiente:Paracircuitosconaltasexigencias,elfiltrosepuedesituarenuncircuitoindependientequetambinrealicelaboresderefrigeracindelfluidohidrulico.

Figura8.Filtradoencircuitoindependiente

Acontinuacinseincluyeunatabladondeseindicanlosgradosdefiltracinylaposicinrecomendadaparasituarelfiltro,segneltipodecomponenteoelementohidrulicoconsiderado.

Tabla5.Gradosdefiltracinyposicionesdelfiltro



V= (De2Di2)A 4

2.4Bombahidrulica

Labombahidrulicaeselcomponentequegeneraelflujodentrodelcircuitohidrulico,yestdefinidaporlacapacidaddecaudalqueescapazdegenerar,comoejemplo,galonesporminuto,litrosporminuto,ocentmetroscbicosporrevolucin.Haydosgrandesgruposdebombas:rotativasyalternativas.

A)Bombasrotativas:

Dentrodelafamiliadebombasrotativas,seencuentranlossiguientestipos:

Bombas de engranajes: Las bombas de engranajes son compactas, relativamente econmicas y tienen pocas piezasmviles,loquelesconfieretenerunbuenrendimiento.

Figura9.Bombadeengranaje.Principiodefuncionamiento

Lacilindrada(V)deunabombadeengranajeseobtieneapartirdelasiguienteexpresin:

siendo,DeyDilosdimetrosdepuntaydebasedeldientedelengranajeyAeselanchodelacarcasadelabomba.

Bombaslobulares:sonbastantesemejantesa lasdeengranajes,peroconunnmerodedientesmenoryconrangosdefuncionamientomenores.Normalmenteseutilizanparaincrementosdepresionesbajasdondepuedehaberproblemasdeerosinenlosdientessiseemplearaunabombadeengranajes.

Figura10.Bombahidrulicadetipolobular

Bombasdepaletas:bsicamenteconstandeunrotor,paletasdeslizantesyunacarcasa.Sedividenendosgrandestipos,compensadasynocompensadas.

En lasbombasdepaletasnocompensadascuandoel rotorgiradesplaza laspaletashacia fueradebidoa la fuerzacentrfuga,haciendocontactoconelanillo,olacarcasa,porloqueseformaunsellopositivo.Elfluidoenestetipodebombasentrayvallenandolaporcindevolumenmayorquesegeneraconelhuecodejadoporelrotordescentradodentrodelacarcasa.Algirarentoncessegeneraunafuerzaqueempujaelfluidohaciaafuera.Sedenominandepaletasnocompensadasporqueunamitaddelmecanismodebombeoseencuentraaunapresininferioralaatmosfrica,mientrasquelaotramitadestarsometidaalapresindetrabajopropiadelsistema.



V= D2CZ 4

V= eD2Z 2

Figura11.Esquemadeunabombadepaletas

Paraequilibrarlosesfuerzosdentrodelabombasedesarrollaronlasllamadasbombasdepaletascompensadas.Enestetiposecambialaformacirculardelacarcasaporotraformageomtricaenformadeleva,queconsigueequilibrarlaspresionesinteriores.

B)Bombashidrulicasalternativas:

Bombasdembolosopistones:enestetipodebombasseconvierteelmovimientogiratoriodeentradadeunejeenunmovimientodesalidaaxial del pistn.Sonun tipodebombaspor logeneral, deconstruccinmuy robustasyadecuadasparapresionesycaudalesaltos.Surendimientovolumtricotambinesalto.

Sepuedendistinguirtrestiposdebombasdepistones:

1.Pistonesenlnea:tienenunaconstruccinmuysimpleyelrendimientoquesoncapacesdeobtenerpuedellegaral97%.

Elclculodelacilindrada(V)deunabombadepistonesenlneaseobtieneapartirdelasiguienteexpresin:

siendo,Clacarreradelpistn,DeseldimetrodecadapistnyZeselnmerodepistones.

2.Bombasdepistonesradiales:enestetiposepuedetambinregularelcaudaldecadapistn.Sucilindradapuedeserfijaovariable,yelrendimientopuedellegaraserdeun99%.

Bombadepistonesradiales

>>AccederaCatlogosdebombasdepistonesradiales

Elclculodelacilindrada(V)deunabombadepistonesradialesseobtieneapartirdelasiguienteexpresin:

siendo,eeslaexcentricidad(odobledelacarrera),DeseldimetrodecadapistnyZeselnmerodepistones.

3.Bombas de pistones axiales: tambin pueden ser de cilindrada fija o variable. En las que son de caudal variable, puedenautorregularse.
http://hawe.cohimar.com/bombas.pdf



V= Dp2ZDmtg 4

Bombadepistonesaxiales

Lacilindrada(V)deunabombadepistonesaxialesseobtieneapartirdelasiguienteexpresin:

siendo,Dpeldimetrodecadapistn,Zeselnmerodepistones,Dmeldimetrodelamquinayeselngulodeinclinacindeleje(quepuedeserfijosilamquinaesdeejerecto,ovariablesisetratadeunamquinaconsistemadeinclinacindeleje).

>>AccederaCatlogosdeBombasaxialesdecaudalvariable

Bombasdediafragma:enestetipodebombaselflujoseconsigueporelempujedeunasparedeselsticas,demembranaodiafragma,quevaranelvolumendelacmara,aumentndoloydisminuyndoloalternativamente.

Enlasiguientetablaseresumenlosdistintosrangosdetrabajodealgunosdelostiposdebombashidrulicasmsempleadas:

Tabla6.Rangosdetrabajosparalasbombashidrulicas

2.5Cilindroactuador

Elcilindroactuadoreselelementofinalquetransmitelaenergamecnicaoempujealacargaquesedeseemoverodesplazar.Aunquehayactuadoresdetiporotativo,losmsconocidossonloscilindroslineales.

Loscilindroslinealespuedenserdesimpleodedobleefecto.Enloscilindrosdesimpleefectoelaceiteentrasloporunladodelmbolo,porloqueslopuedetransmitiresfuerzoenunsentido.Elretrocesoseconsigueobienporelpesopropiodelcilindro,bienporlaaccindeunmuelleoporunafuerzaexterior(ejemplo,lapropiacargaqueseeleva).Porelcontrario,enloscilindrosdedoble
http://hawe.cohimar.com/bombas.pdf



KF= S

2EIK= L2

efecto,elaceitepuedeentrarporlosdosladosdelmbolo,porloquepuedetransmitiresfuerzoenlosdossentidosdelmovimiento.

Unodelosaspectosatenerencuentaeneldiseodeuncilindrohidrulicoescmorealizarelamortiguamientoofrenadadelmovimientodelvstago,cuandosteseacercaal finaldecarrera,evitandoasqueseproduzcan impactosentreelpistn interiory latapadelcilindro.

Para ello los cilindros hidrulicos disponen de un pivote amortiguador quepaulatinamentereducelasalidadelaceitehastaque,pocoantesdellegaralfinaldecarrera,cierratotalmenteelpasodelcaudaldesalidadelaceite,"bypasseando"elflujomedianteunavlvuladeestrangulamientopordondeseevacuaelrestodelaceite.Deestemodo se va disminuyendo progresivamente la velocidad del cilindro y el pistn se consigue frenar suavemente. Este tipo deamortiguamientoparalasposicionesfinalesdecarreraseutilizasilasvelocidadesdelcilindrooscilanentre6m/miny20m/min.

Figura13.Amortiguamientodelcilindroenfinaldecarrera

Porltimo,cabeindicarunaspectoatenermuyencuentaeneldiseodeloscilindroshidrulicos,yenconcreto,enloqueserefierealvstago.

Enefecto,cualquierpiezaesbeltasometidaaesfuerzosdecompresin,yelvstagoestarsometidoaestetipodesolicitacin,correelriesgodesufrirelfenmenodepandeo.Paratenerencuentaestetipodeinestabilidad,elclculodeldimetrodelvstagoserealizaaplicandolaTeoradeEuler.Segnestateora,paraundeterminadodimetro(d)devstago, lafuerzamximaquepuedesoportarsinquesufradepandeovienedadaporlasiguienteexpresin:

dondeSesunfactordeseguridaddevalor3,5yKeslacargadepandeo(enkg)quesecalculamediantelasiguienteexpresin:

donde,

Eeselmdulodeelasticidad,devalor2,1106kg/cm2paraelacero

Ieselmomentodeinerciadelaseccintrasversaldelvstago,devalord2/64paraunvstagodeseccincirculardedimetrod

Leslalongituddepandeodelvstago,quedependedelmtododesujecinempleadoensumontaje.

LalongituddepandeoL,engeneralnovaacoincidirconlalongitudrealdelvstago,sinoquevaadepender,comoyasehadichodelaformaenquesehayarealizadoelmontajedelcilindro.

EnlasiguientetablaseindicacmosecalculaLenfuncindelasdistintassituacionesdemontajedelcilindrohidrulico.



Tabla7.Clculodelalongitudlibredepandeo,L

2.6Tuberashidrulicas

Para la conduccin del fluido hidrulico se emplean tanto tuberas rgidas de acero sin soldadura, comomangueras flexibles,evitndoseentodomomentoemplearelementosgalvanizados,dadoqueelzincpresentepuedesermuyreactivoconciertosaditivospresentesenlosfluidoshidrulicos.

Tabla8.Tubosdeacerosinsoldaduraparacircuitoshidrulicos

Paraaplicacionesmvilesydedistanciascortas,sesueleemplearmanguerasflexiblescomolaquesemuestraenlafigura.



FactordeSeguridadenmanguerasflexibles,Fs

Presindeservicio,enbares Fs

De070 8

De70175 6

>175 4

PresindeRoturaFs= PresindeFuncionamiento

Figura14.Mangueraflexibleparaaplicacioneshidrulicas

Enelcasodemanguerasflexibles,ensuclculohayquetenerencuentaunfactordeseguridadFs,enfuncindelapresindeservicioodefuncionamientoalaquetrabajelamanguera.

Tabla9.Factordeseguridadenmanguerasflexibles,Fs

2.7Vlvulas

Lasvlvulas,comoelementosderegulacin,decontrolymandode lacirculacindel fluidohidrulicoporel interiordelcircuito,puedenserdediversostipos:vlvulascontroladorasdepresin,decaudal,vlvulasdireccionalesodistribuidoras,vlvulasdebloqueoovlvulasdecierre.

Lasvlvulasdepresinactancuandolapresindelfluidoenelinteriordelcircuitoalcanzaunciertovalor,llamadotambinvalordetarado.

Segnsufuncinlasvlvulasdepresinseclasificanen:

Vlvulasdeseguridad:estetipodevlvulasprotegenalcircuitodesobrepresiones.Sonvlvulasnormalmentecerradas,quecuandosealcanceunapresinlmiteseactivanydescarganelfluido.

Figura15.PosicindeVlvuladeSeguridad

Vlvuladecompensacindecarga:estetipodevlvulasseutilizanparamantenerunapresinmnimaaguasarriba,evitndoseasquesepuedaproducirunfenmenodeembalamientoporausenciadeunaresistenciaenelcircuito,porejemplo,enlabajadadelospistonesqueelevanlacajadecargadeuncaminvolquetebasculante.



0,785de2pFe= 104

Figura16.PosicindeVlvuladeCompensacin

Vlvulasdecaudalquelimitanelcaudalmximoquecirculaporelcircuito,derivandoelexcesodecaudalaltanquederetorno.

Vlvulasdireccionalesquedistribuyenelflujodentrodelcircuitohidrulico.Lashaydevariostipos:

Vlvulasantirretorno:quepermitenelpasodelfluidoenunsentidoyloimpidenenelcontrario.

Vlvulasdistribuidoras,quepuedensercorrederasorotativas.Enlasvlvulascorrederaslasconexionessesuelendenominar:P,paralalneadepresinT,laderetornoatanqueA,B...,lasdistintaslneasaactuadores,comosemuestraenlafigurasiguiente.

Figura17.Vlvuladistribuidoradecuatrovasydosposiciones

3Procedimientodeclculo

3.1Clculodelcilindrohidrulico

Conocidoelvalordelafuerzadeempuje(Fe)oelevacinnecesariayeltiempo(t)disponibleenrealizarunacarreracompletaporpartedelmbolo,seemplearanlassiguientesexpresionesparacalcularlosparmetrosgeomtricosquedefinenalcilindroactuador.

As,elvalordelempujeofuerzadeelevacin(Fe)capazdedesarrollaruncilindrohidrulicovienedadoporlasiguienteexpresin:

siendo,

Fe,elvalordelafuerzadesarrolladaporelcilindro,enkN.

de,eseldimetrodelmboloquediscurreporelinteriordelcilindro,enmm.

peslapresindeservicioalaqueseencuentraelaceitehidrulicoenelinteriordelcilindro,enbar.

Figura18.Esquemadeuncilindrohidrulico

Paracilindrosdedobleefecto,durante lacarreraderetrocesooderecogidadelmbolo, la fuerzaquepuededesarrollarviene



0,785(de2dv2)pFr= 104

de2 V= L 4

Lv= 103t

60VQ= 106t

QQr=

calculadaporestaotraexpresin:

siendo,

Fr,elvalordelafuerzaderetrocesoorecogidadelmbolo,enkN.


dv,eseldimetroexteriordelvstagoquediscurreporelinteriordelcilindro,enmm.

peslapresindeservicioalaqueseencuentraelaceitehidrulicoenelinteriordelcilindro,enbar.

Sisedenominacarrera(L)alrecorridocompletodelmbolodentrodelcilindro,entonceselvolumendeunacarrera(V), tambinconocidocomocilindrada,vieneexpresadaporelproductodelasuperficiedelmboloporsucarrera,esdecir,

donde,

V,eslacilindradaovolumendeunacarrera,enmm3.


L,eslalongituddelacarreradelvstago,enmm.

Porotrolado,conocidalacarrera(L)delvstagoymedidoeltiempo(t)empleadoensurecorrido,sepuedecalcularlavelocidad(v)conquesemueveelvstago,segnlaexpresinsiguiente:

siendo,

v,lavelocidaddesalidadelvstago,enm/s.

L,eslalongituddelacarreradelvstago,enmm.

t,eseltiempoempleadoensalircompletamenteelvstagodelcilindro,ensegundos(s).

Conocidoelvolumendelacarrera(V)yeltiempo(t)empleadoenlasalidadelvstago,sepuedeconocerelcaudal(Q)necesariopararealizarunacarrera,como

donde,

Q,eselcaudaldefluidonecesarioparahacerunacarrera,enlitros/minuto(l/min).

V,eslacilindradaovolumendeunacarrera,enmm3.

t,eseltiempoempleadoensalircompletamenteelvstagodelcilindro,ensegundos(s).

Noobstante,elanteriorvalorsetratadeunvalorterico.Elcaudalreal(Qr)tenidaencuentaelrendimientovolumtricodelcilindrodondesereflejanaspectoscomolafugadefluidoporlasjuntas,vienedadoporlasiguienteexpresin:



4Qv= D2

siendo,

Qr,elcaudalrealdefluidonecesarioparahacerunacarrera,enlitros/minuto(l/min).

Q,eselcaudaltericocalculadosegnlaexpresinanterior,enlitros/minuto(l/min).

,eselrendimientovolumtricodelcilindroquetieneencuentalasfugas,comogeneralsetoma0,95.

3.2Clculodelastuberas

Unavezcalculadoelcilindroactuadorysusparmetrosdediseo(caudaldeflujo,geometra),elsiguientepasoesdimensionarlosdimetrosdelosconductosolatiguillosqueconducenelfluidohidrulicohastalosactuadores.

El clculodeldimetrode los conductosse realizaapartir del caudal (Q) que llegahastael cilindroactuador, queesundatoconocidoycalculadosegnelapartadoanterior.

Enefecto, la velocidaddel fluidohidrulico (v)porel interiorde losconductosest relacionadoconel caudal (Q),mediante lasiguienteexpresin:

Q=vA

donde

Aeselreadelaseccininternadelatubera(D2/4),siendoDeldimetrointeriordelatubera.

Porlotanto,sustituyendoydespejandovdelaexpresinanterior,elvalordelavelocidad(v)delfluidoquediscurreporelinteriordeunatuberatambinpuedeserexpresadaenfuncindelcaudal(Q)ydeldimetrointerior(D)delatubera,como:

Comonormageneral,eldimetro(D)decualquiertuberadeconduccindeaceitehidrulicoseelegirtalquelavelocidad(v)delfluidoporsu interiorsemantengadentrodeunrangodevelocidades.En laprcticaseaplican lossiguientesvaloresestndardevelocidadenlosconductos:

Tuberasdeimpulsin:

hasta50bardepresindetrabajo:4,0m/s




hasta300bardepresindetrabajo:6,0m/s.

Tuberasdeaspiracin:1,5m/s

Tuberaderetorno:2,0m/s.

Unavezseleccionadoundimetro(D)paralatubera,sesustituyeenlaexpresinanterioryserecalculaelvalordelavelocidad(v)obtenida,comprobndosequesemantienedentrodelanteriorrangorecomendadodevelocidades.Es,portanto,unprocesoiterativo.

Unavezseleccionadoeldimetro(D)de la tuberaycalculada lavelocidad(v)decirculacindel fluidohidrulico,esnecesarioconocerlaprdidadecargaqueseproduceporelinteriordelatubera.

Elclculodelaprdidadecargaodepresin(p)originadoenlostramosdetuberasesinmediatoyfcilderealizar.Enefecto,enuntramodetuberadeunalongitudconsiderada"L",elclculodelasprdidasdecargaoriginadassepuedeobteneraplicandolaecuacindeDarcyWeisbach,mediantelasiguienteexpresin:

donde,

peselvalordelaprdidadecargaodepresinmedidasegnlaalturamanomtricayexpresadaenmetrosdecolumnadeagua(m.c.a.)



Re=vD

r=

D

RUGOSIDADABSOLUTADEMATERIALES

Material (mm) Material (mm)

Plstico(PE,PVC) 0,0015 Fundicinasfaltada 0,060,18

Polisterreforzadoconfibradevidrio 0,01 Fundicin 0,120,60

Tubosestiradosdeacero 0,0024 Acerocomercialysoldado 0,030,09

Tubosdelatnocobre 0,0015 Hierroforjado 0,030,09

Fundicinrevestidadecemento 0,0024 Hierrogalvanizado 0,060,24

Fundicinconrevestimientobituminoso 0,0024 Madera 0,180,90

Fundicincentrifugada 0,003 Hormign 0,33,0

Leslalongituddeltramoconsideradodetubera(m)

Deseldimetrointeriordelatubera(m)

veslavelocidaddelfluidohidrulicoporelinteriordelatubera(m/s)

geslaacelaracindelagravedad(9,81m/s2)

feseleselfactordefriccindeDarcyWeisbach.

Delaanteriorexpresintodoslosparmetrossonconocidossalvoelfactordefriccin(f).

Elfactordefriccin(f),esunparmetroadimensionalquedependedelnmerodeReynolds(Re)delfluidohidrulicoempleadoydelarugosidadrelativadelatubera(r)

f=f(Re,r)

dondeelnmerodeReynolds(Re)vieneexpresadoporlasiguienteformulacin:

siendo,

ladensidaddelaceiteofluidohidrulico(kg/m3)

veslavelocidaddelfluidoporelinteriordelatubera(m/s)

Deseldimetrointeriordelatubera(m)

esviscosidaddinmicadelaceiteofluidohidrulico(kg/ms)

Porotrolado,larugosidadrelativadelatubera(r)vienedadaenfuncindelarugosidadabsoluta()delmaterialdelqueestfabricadalatuberaydesudimetrointerior(D)deacuerdoalasiguienteexpresin:

Enlasiguientetablasemuestranlosvaloresderugosidadabsolutaparadistintosmateriales:

Tabla10.Rugosidadesabsolutasdemateriales

ElnmerodeReynolds (Re) representa la relacinentre las fuerzasde inerciay lasviscosasen la tubera.Cuando las fuerzaspredominantessonlasviscosas(ocurreparaReconvaloresbajos),elfluidodiscurredeformalaminarporlatuberaylaimportanciadelarugosidadenlaprdidadecargaesmenorquelasdebidaalpropiocomportamientoviscosodelfluido.Porotrolado,enrgimenturbulento(Regrande),lasfuerzasdeinerciapredominansobrelasviscosasylainfluenciadelarugosidadsehacemspatente.

LosvaloresdetransicinentrergimenlaminaryturbulentoseencuentraconelnmerodeReynoldsenlafranjade2000a4000.Esdecir,enfuncindelvalordelnmerodeReynoldssetieneque:

Re



f=64Re

p=K v2

2g

p=K8Q2

2gD4

Vlvulas(abiertas) Coef.deprdida,K

Debola K=0,1

Compuerta K=0,10,3

Re>4000:Rgimenturbulento.

Conocersielflujoquecirculaporunatuberaseencuentraenelrgimenlaminaroturbulentoesimportanteporquemarcalamaneradecalcularelfactordefriccin(f).

Enefecto,elfactordefriccin(f)paravaloresdelnmerodeReynoldspordebajodellmiteturbulento,esdecir,enrgimenlaminar,sepuedecalcularaplicandolafrmuladePoiseuille:

expresinqueresultasencilladeaplicarparacalcularelfactordefriccin(f)conocidoelReynolds(Re).

Paralaotrasituacin,esdecir,quenosencontremosenrgimenturbulento,elclculoparaconocerelfactordefriccin(f)yanosestaninmediato,ydependetantodelnmerodeReynoldscomodelarugosidadrelativadelatubera.Enestecasoexistendiversasformulacionesquepuedenserutilizadasparaelclculodelfactordefriccin:

>>EcuacindeColebrookWhite

YotrascomolaecuacindeBarr,laecuacindeMillerolaecuacindeHaaland.

No obstante, afortunadamente adems de estas expresiones existen representaciones grficas y bacos empricos que nospermitencalcularcmodamenteelfactordefriccin(f).UnodeelloseselDiagramadeMoodyqueeslarepresentacingrficaenescaladoblementelogartmicadelfactordefriccin(f)enfuncindelnmerodeReynolds(Re)ydelarugosidadrelativadelatubera(/D),segnserepresentaenlasiguientefigura:

Figura19.DiagramadeMoody

Porotrolado,paraevaluarlasprdidaslocalesqueseoriginanenvlvulasuotroselementosintercaladosenlainstalacin(codos,derivaciones en T, bifurcaciones, reducciones...) se pueden calcular a partir de formulaciones empricas, como lamostrada en laexpresinsiguiente:

obien,

dondeelcoeficienteadimensionalK,quemidelacadadepresinsemideexperimentalmenteydependedeldiseodelfabricante.Enlasiguientetablasedanalgunosvaloresorientativos:
http://es.wikipedia.org/wiki/Ecuaci%C3%B3n_de_Colebrook-White



Antiretorno K=1,0Deasientoestndar.Asientode

fundicin K=4,010,0

Deasientoestndar.Asientodeforja(pequea) K=5,013,0

Deasientoa45.Asientodefundicin K=1,03,0

Deasientoenngulo.Asientodefundicin K=2,05,0

Deasientoenngulo.Asientodeforja(pequea) K=1,53,0

Mariposa K=0,21,5

Diafragma K=2,03,5

Demachootapn.Rectangular K=0,30,5

Demachootapn.Circular K=0,20,3

Otroselementos Coef.deprdida,K

Codosa90 K=0,2

Derivacin K=0,3

CocienteK(parcial)/K(abierta)

Situacin Compuerta Esfera Mariposa

Abierta 1,0 1,0 1,0

Cerrada25% 3,05,0 1,52,0 2,015,0

50% 1222 2,03,0 860

75% 70120 6,08,0 45340

Tabla11.Coeficientesdeprdidadecarga,K

Parael clculode loscoeficientesdeprdidasdecargaenvlvulasparcialmenteabiertas respectoal valordel coeficienteenaperturatotal,sepuedentomarlosvaloresdeestaotratabla:

Tabla12.Coeficientesdeprdidadecargaenvlvulasparcialmenteabiertas

Unavezcalculadalasprdidasdecargaslocalizadasencadaelemento,codoovlvuladelmismoramal,sesumantodasellasyseagregaalaprdidadecargacalculadaeneltramorectodeltubo,obtenindoseaslaprdidadecargatotalporrozamientoenlatubera.

ANEXOS

A.1SmbolosHidrulicos



A.2CodificacindeCilindrosHidrulicos



IngemecnicaIngeniera,ConsultorayFormacin

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sistemas hidráulicos de transmisión de potencia

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