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Curso: EQUIPOS INDUSTRIALES Y MANTENIMIENTO.
Facultad: Ingeniería.
Carrera: Ing. Industrial.
Ciclo: V.
Docente: Mg. Ing. José Sánchez Valdivia
UNIVERSIDAD
PERUANA LOS ANDES
FILIAL LIMA
SISTEMAS
HIDRÁULICOS
INTRODUCCIÓN A LA HIDRÁULICA
La hidráulica es la ciencia que forma parte la física
y comprende la transmisión y regulación de fuerzas
y movimientos por medio de los líquidos. Cuando
se escuche la palabra “hidráulica” hay que
remarcar el concepto de que es la transformación
de la energía, ya sea de mecánica ó eléctrica en
hidráulica para obtener un beneficio en términos de
energía mecánica al finalizar el proceso.
Etimológicamente la palabra hidráulica se refiere al agua:
Hidros - agua. Aulos - flauta. Algunos especialistas que no
emplean el agua como medio transmisor de energía, sino
que el aceite han establecido los siguientes términos para
establecer la distinción: Oleodinámica, Oleohidráulica u
Oleólica.
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).
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En la siguiente ecuación, conocida como "Ecuación
de Bernoulli" expresa matemáticamente este
concepto:
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PRODUCCIÓN DE ENERGÍA HIDRÁULICA:
La ventaja que implica la utilización de la energía
hidráulica es la posibilidad de transmitir grandes fuerzas,
empleando para ello pequeños elementos y la facilidad
de poder realizar maniobras de mandos y reglaje.
A pesar de estas ventajas hay también ciertos
inconvenientes debido al fluido empleado como medio
para la transmisión.
Esto debido a las grandes presiones que se manejan en
el sistema las cuales posibilitan el peligro de accidentes,
por esto es preciso cuidar que los empalmes se
encuentren perfectamente apretados y estancos.
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.
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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.
COMPONENTES DE UN SISTEMA HIDRÁULICO
1. MANGUERAS Y DEPÓSITOS DE FLUIDOS
En el diseño de máquinas y equipos para construcción
son de gran importancia el tipo, el tamaño y la ubicación
del tanque de aceite hidráulico. Una vez que la máquina o
el equipo está en operación, el tanque hidráulico no es
más que un lugar de almacenamiento del aceite
hidráulico, un dispositivo para enfriar el aceite y un
separador para quitar el aire del aceite.
2. TANQUE HIDRÁULICO
La principal función del tanque hidráulico es almacenar
aceite. El tanque también debe eliminar calor y aire al
aceite. Los tanques deben tener resistencia y capacidad
adecuadas, y no dejar entrar la suciedad externa.
Los tanques hidráulicos generalmente son herméticos.
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3. ACUMULADOR
El acumulador de carga de gas es el tipo más
comúnmente usado en los sistemas hidráulicos del
implemento del equipo móvil. Hay dos tipos de
acumuladores de carga de gas : el acumulador de cámara
de aceite y el acumulador de pistón. La capacidad
combinada de mantener una presión y un volumen de
aceite permite que los acumuladores se usen en los
sistemas hidráulicos.
Permitir el uso de bombas más pequeñas
Proporcionar frenado y dirección de emergencia
Mantener la presión constante
Absorber las cargas de choque.
4. MANGUERAS HIDRÁULICAS
Las mangueras hidráulicas se fabrican de varias capas
de material. Las diversas capas son:
1. Tubo interior de polímero: Sella el aceite y no permite
que escape.
2. Capa de refuerzo: Puede ser de fibra para presión
baja o de alambre para presión alta, lo que soporta el
tubo interior. Pueden usarse de una a seis capas.
3. Capa de fricción de polímero - Separa las capas de
refuerzo para evitar la fricción entre ellas y por tanto
el desgaste.
4. Capa externa - Protege la manguera del desgaste y
de otros componentes.
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Fluidos Hidráulicos y Acondicionadores de
Fluidos
La vida útil del sistema hidráulico depende en gran medida
de la selección y del cuidado que se tengan con los fluidos
hidráulicos. Al igual que con los componentes metálicos
de un sistema hidráulico, el fluido hidráulico debe
seleccionarse con base en sus características y
propiedades para cumplir con la función para la cual fue
diseñado.
Los filtros y los enfriadores se usan en sistemas
hidráulicos para mantener el fluido limpio y lo
suficientemente frío para evitar daños del sistema.
Funciones de los fluidos hidráulicos
Los fluidos prácticamente son incompresibles. Por tanto,
en un sistema hidráulico los fluidos pueden transmitir
potencia en forma instantánea. Por ejemplo, por cada
2.000 lb/pulg2 de presión, el aceite lubricante se
comprime aproximadamente 1%, es decir, puede
mantener su volumen constante cuando está bajo una
presión alta. El aceite lubricante es la materia prima con
que se produce la mayoría de los aceites hidráulicos.
Las principales funciones de los fluidos hidráulicos son:
• Transmitir potencia
• Lubricar
• Sellar
• Enfriar
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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.
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FUNCIÓN DEL FILTRO
Los filtros limpian el aceite hidráulico y quita los
contaminantes que pueden dañar los componentes. A
medida que el aceite pasa a través del elemento del filtro,
los contaminantes quedan atrapados. El aceite limpio
continúa a través del sistema.
Los fabricantes asignan una clasificación, tamaño de
partículas retenidas en micrones y un valor beta a los
elementos de filtro de acuerdo con su capacidad probada de
atrapar partículas. Mientras más pequeña sea la
clasificación en micrones, más pequeñas serán las
partículas atrapadas por el filtro. Mientras mayor sea el
número beta de un tamaño de micrones dado, mayor será el
tamaño de las partículas atrapadas en el primer paso del
aceite a través del filtro.
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Bombas y Motores Hidráulicos
Las bombas y los motores hidráulicos son similares en su
diseño pero difieren en sus características de operación.
La mayor parte de esta lección se centra en la
nomenclatura y operación de las bombas hidráulicas.
La bomba hidráulica convierte la energía mecánica en
energía hidráulica. Es un dispositivo que toma energía de
una fuente (por ejemplo, un motor, un motor eléctrico,
etc.) y la convierte a una forma de energía hidráulica.
La bomba toma aceite de un depósito de
almacenamiento (por ejemplo, un tanque) y lo envía
como un flujo al sistema hidráulico.
Todas las bombas producen flujo de aceite de igual
forma. Se crea un vacío a la entrada de la bomba. La
presión atmosférica, más alta, empuja el aceite a través
del conducto de entrada a las cámaras de entrada de la
bomba.
CLASIFICACIÓN DE BOMBAS
Clasificación según el principio de funcionamiento:
- Bombas Rotodinámicas
Impulsor rotante – incrementa la inercia del fluido
- Bombas de Desplazamiento Positivo
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A)BOMBAS ROTATIVAS:
Dentro de la familia de bombas rotativas, se encuentran
los siguientes tipos:
• BOMBAS DE ENGRANAJES: Las bombas de
engranajes son compactas, relativamente económicas y
tienen pocas piezas móviles, lo que les confiere tener un
buen rendimiento.
• BOMBAS LOBULARES: Son bastante semejantes a
las de engranajes, pero con un número de dientes
menor y con rangos de funcionamiento menores.
Normalmente se utilizan para incrementos de presiones
bajas donde puede haber problemas de erosión en los
dientes si se empleara una bomba de engranajes.
• BOMBAS DE PALETAS
Las de paletas son bombas regulables. La salida de la
bomba puede ser de caudal fijo o variable.
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B) BOMBAS HIDRÁULICAS ALTERNATIVAS:
• BOMBAS DE ÉMBOLOS O PISTONES: en este tipo
de bombas se convierte el movimiento giratorio de
entrada de un eje en un movimiento de salida axial del
pistón. Son un tipo de bombas por lo general, de
construcción muy robustas y adecuadas para presiones
y caudales altos. Su rendimiento volumétrico también
es alto.
• BOMBAS DE DIAFRAGMA: en este tipo de bombas
el flujo se consigue por el empuje de unas paredes
elásticas, de membrana o diafragma, que varían el
volumen de la cámara, aumentándolo y
disminuyéndolo alternativamente.
BOMBA DE RODETE CENTRÍFUGA
La bomba de rodete centrífuga consta de dos piezas
básicas: el rodete (2), montado en un eje de salida (4) y
la caja (3). El rodete tiene en la parte posterior un disco
sólido con hojas curvadas (1) , moldeadas en el lado de
la entrada.
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CONCEPTO DE ALTURA MANOMÉTRICA DE LA
BOMBA
En la Figura 1 se esquematiza una instalación de bombeo,
la que consta de dos reservorios R1 y R2, siendo el nivel en
éste último superior al primero en una altura topográfica que
llamamos HT. Ambos reservorios están conectados por una
conducción de diámetro D, interrumpida por una bomba
cuya misión es la de elevar un caudal Q a la altura HT.
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MOTOR HIDRÁULICO
El motor hidráulico convierte la energía hidráulica en
energía mecánica. El motor hidráulico usa el flujo de
aceite enviado por la bomba y lo convierte en un
movimiento rotatorio para impulsar otro dispositivo (por
ejemplo, mandos finales, diferencial, transmisión,
rueda, ventilador, otra bomba, etc.).
VÁLVULAS DE CONTROL DE PRESIÓN
Las válvulas se usan para controlar el flujo y la presión
del aceite hidráulico en un sistema hidráulico. Las
válvulas hidráulicas se agrupan en tres categorías,
basadas en su función principal. Los tres tipos
principales de válvulas hidráulicas son: válvulas de
control de presión, válvulas de control de flujo y válvulas
de control direccional.
Una válvula puede construirse para combinar varias de
estas funciones. Una válvula generalmente toma el
nombre de la función que desempeña o de cómo fue
construida.
Las válvulas de control de presión se usan para
controlar la presión en un circuito o en un sistema.
La función de la válvula principal siempre es la misma,
aunque el diseño puede cambiar. Ejemplos de válvulas de
control de presión incluyen las válvulas de alivio, las
válvulas de secuencia, las válvulas reductoras de presión,
las válvulas diferenciales de presión y las válvulas de
descarga.
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VÁLVULAS DE CONTROL DIRECCIONAL
Las válvulas de control direccional se usan para enviar el
aceite a circuitos separados de un sistema hidráulico. Al
usar una válvula de control direccional, se deben
considerar la capacidad máxima de flujo y la caída de
presión a través de la válvula. Las válvulas de control
direccional pueden estar en interfaz con controles
manuales, hidráulicos, neumáticos y electrónicos. Estos
factores se determinan principalmente durante el diseño
del sistema inicial.
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ACCIONADOR DE SOLENOIDE
En un accionador de solenoide, un campo
electromagnético activa un inducido que, a su vez,
mueve un pasador de empuje. El pasador de
empuje mueve finalmente el carrete de la válvula.
CILINDROS
En su forma más simple, los cilindros son accionadores
lineales. Sus salidas son movimiento o fuerza en línea
recta. Los tipos más comunes son los cilindros de
acción simple y los de acción doble.
El cilindro actuador es el elemento final que transmite la
energía mecánica o empuje a la carga que se desee
mover o desplazar. Aunque hay actuadores de tipo
rotativo, los más conocidos son los cilindros lineales.
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Uno de los aspectos a tener en cuenta en el diseño de un
cilindro hidráulico es cómo realizar el amortiguamiento o
frenada del movimiento del vástago, cuando éste se
acerca al final de carrera, evitando así que se produzcan
impactos entre el pistón interior y la tapa del cilindro.
Para ello los cilindros hidráulicos disponen de un pivote
amortiguador que paulatinamente reduce la salida del
aceite hasta que, poco antes de llegar al final de carrera,
cierra totalmente el paso del caudal de salida del aceite,
"bypasseando" el flujo mediante una válvula de
estrangulamiento por donde se evacua el resto del
aceite.
De este modo se va disminuyendo progresivamente la
velocidad del cilindro y el pistón se consigue frenar
suavemente.
Este tipo de amortiguamiento para las posiciones finales
de carrera se utiliza si las velocidades del cilindro oscilan
entre 6 m/min y 20 m/min.
