Hidrulica

Juan Jos Figueroa Cohn

Ing. MSc.

Contenidos

1. Propiedades de los Fluidos

2. Caracterstica de los fluidos Hidrulicos

3. Componentes Hidrulicos

1. Estanque, Bomba, Filtro, Vlvula y Actuadores

4. Circuitos

Introduccin

Se entiende por hidrulica a la transmisin y el control de fuerzas y movimientos mediante lquidos sometidos a presin.

Su campo de aplicacin est donde se requiera realizar esfuerzos importantes y/o precisos.

Fluidos Hidrulico

Funciones Transmitir presin Lubricar Refrigerar Amortiguar vibraciones Proteger contra corrosin Eliminar partculas abrasivas Transmitir seales Sellar

2. Fluidos Hidraulicos

En principio para transmitir energa de presin se podra utilizar cualquier lquido. Sin embargo si se usara agua por ejemplo generara problemas de corrosin, de ebullicin y de congelacin. Normalmente se usan aceites hidrulicos procedentes de la destilacin del petrleo en aquellas instalaciones en las que no haya riesgo de fuego. Si existiera dicho riesgo se utilizaran emulsiones agua aceite o aceites sintticos. Los aceites hidrulicos deben cumplir con unas caractersticas bsicas: Deben lubricar lo elementos mviles, deben proteger contra la corrosin, tienen el punto de ebullicin alto y el punto de congelacin ms bajo que el del agua, transmiten energa por medio del aumento de presin y disipan el calor generado por las prdidas de carga.

Ventajas

La oleo hidrulica permite obtener elevados esfuerzos con elementos de

tamao reducido por medio de grandes presiones. Pueden obtenerse importantes momentos y grandes potencias.

Permite conseguir movimientos suaves, exentos de vibraciones con el ritmo que se desee: movimientos rpidos de aproximacin y retroceso con movimientos lentos de trabajo. La ausencia de vibraciones permite obtener acabados de calidad.

Posibilidad de regular la carrera de trabajo con gran precisin.

Posibilidad de obtener ciclos automticos de trabajo de manera similar a la Neumtica, pero con ms lentitud.

Posibilidad de regular de manera continua los esfuerzos, momentos y velocidades desde cero hasta una velocidad mxima.

Ausencia de problemas de sobrecarga, el accionamiento se parar pero no se estropear, cuando la carga sea excesiva, ponindose inmediatamente en marcha cuando descienda sta. Arranca con carga mxima.

Bajos costos de Operacin respecto Neumatica

Limitaciones

Los movimientos no son tan perfectos como se quisiera debido a la falta de rigidez absoluta del aceite; el mdulo de elasticidad volumtrico de los lquidos no es infinito, es decir, su compresibilidad no es nula. La variacin de viscosidad del aceite con la temperatura y la presin produce variaciones en las prdidas de carga en los conductos y en las vlvulas y modifica el volumen de fugas.

Las prdidas de carga en las tuberas y vlvulas disminuyen el rendimiento del sistema y limitan las velocidades en las tuberas, para que aquellas no lleguen a valores excesivos.

Las prdidas por fugas en cilindros y sistemas de sellado disminuyen el rendimiento del sistema y las velocidades de desplazamiento de los actuadores. Minorar fugas exige tuberas buenas y cilindros y vlvulas con mecanizados de alta precisin y por tanto costosos.

El accionamiento hidrulico parado consume energa, mientras que en el caso neumtico el consumo es nulo.|

Importante

Los fluidos bajo presin siempre toman la lnea de menor resistencia

1. Propiedades de los Fluidos

Principio Pascal: la presin ejercida por 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

BOMBA ACTUADOR

Sistema

Sistema

Sistema

Sistema

Sistema

Sistema

Sistema

Sistema

Sistema

Sistema

Sistema

Sistema

Sistema

Sistema

Sistema

Sistema

Sistema

1. Propiedades de los Fluidos

Efecto Venturi

El efecto Venturi (tambin conocido tubo de Venturi) consiste en que un fluido en movimiento dentro de un conducto cerrado disminuye su presin al aumentar la velocidad despus de pasar por una zona de seccin menor

Principio de Bernoulli

El principio de Bernoulli describe el comportamiento de un fluido movindose a lo largo de una lnea de corriente. Expresa que en un fluido ideal (sin viscosidad ni rozamiento) en rgimen de circulacin por un conducto cerrado, la energa que posee el fluido permanece constante a lo largo de su recorrido. La energa de un fluido en cualquier momento consta de tres componentes:

Energa de flujo: es la energa que un fluido contiene debido a la presin que posee.

Cintica: es la energa debida a la velocidad que posea el fluido.

Potencial gravitacional: es la energa debido a la altitud que un fluido posea.

2. Caracteristicas de los Fluidos Hidraulicos

Densidad

Viscosidad

Compresibilidad

Otras ndice de Desemulsion

Poder Antiespumante

Poder Anticorrosivo

Punto de Congelacion

Punto de Anilina

Propiedades Lubricantes

ndice de desemulsin. Caracteriza la mayor o menor facilidad que presenta un aceite para separarse del agua que pudiera contener. El aceite y el agua forman emulsiones que no son convenientes en los circuitos. Por ello es bueno que los aceites tengan un buen ndice de desemulsin. Existen mtodos para medir dicho ndice entre los que cabe destacar el de Herschel y el indicado por ASTM. En un circuito oleohidrulico el agua se introduce fundamentalmente por condensaciones.

Poder antiespumante: Es la propiedad por la que un lquido se separa del aire que contiene. Todos los aceites contienen aire disuelto en una proporcin del 10% en volumen aproximadamente, siendo su solubilidad directamente proporcional a la presin e inversamente a la temperatura. Cuando el aceite despus de trabajar a una presin alta pasa al tanque a la presin atmosfrica, debido a la disminucin de la solubilidad, se desprenden burbujas de aire produciendo espumas, que es necesario eliminar.

Poder anticorrosivo: Es necesario incorporar a los aceites algn aditivo antioxidante para evitar la accin corrosiva de la humedad. Los circuitos que funcionan intermitentemente sufren una accin corrosiva superior a los que trabajan de manera continua. Punto de congelacin: Este parmetro adquiere una importancia singular en los caso en que los circuitos oleohidrulicos han de trabajar a muy bajas temperaturas, como el caso de maquinaria mvil.

Propiedades lubricantes: Los aceites a utilizar en un circuito oleohidrulico han de tener buenas propiedades lubricantes con el fin de que los cilindros, motores y bombas se comporten correctamente. Las propiedades lubricantes se concretan en una buena formacin de pelcula, para lo que se requiere una adecuada untuosidad, es decir una determinada adsorcin fsica y qumica del aceite por las partes metlicas.

Densidad

Es comn determinar la densidad del aceite relativa a la densidad del agua. La densidad relativa se designa con una letra S. En el caso de los aceites se utiliza la densidad en grados API (American Petroleum Institute)

API=141.5-131.5S

S

As se tiene que el agua tiene una densidad de 10 API y un aceite puede tener una densidad entre 25 y 45 API.

Viscosidad

Viscosidad: Medida de la resistencia de un lquido a fluir

Viscosidad DINMICA: mide la tensin superficial. Se mide el tiempo que tarda en romperse la tensin superficial entre dos gotas del fludo. Se mide en POISE (cP).

Viscosidad CINEMTICA: mide la cada libre. Se mide el tiempo que tarda, una determinada cantidad de fludo, en recorrer una distancia especfica. Se mide en STOKES (cSt)

Viscosidad Cinemtica = Viscosidad Dinmica / Densidad Relativa

Si la viscosidad del aceite es muy baja para la aplicacin, el desgaste es mayor por falta de colchn hidrodinmica, aumento de fugas.

Si la viscosidad del aceite es muy alta para la aplicacin, el consumo de energa es mayor, el desgaste puede ser mayor por falta de circulacin y el aceite se calentar por friccin. Desgaste por cavitacion

Un aceite delgado (De verano) es menos resistente a fluir. Por eso su viscosidad es baja. Un aceite grueso (de Invierno) es ms resistente a fluir y por eso tiene una viscosidad ms alta. Las viscosidades de los aceites normalmente son medidas y especificadas en centistoke (cSt) a 40C o 100C. Los aceites multigrados tienen un alto indice de viscocidad, que permite trabajar en una amplio espectro de temperaturas

Grafico Viscosidad VS Temperatura

ISO ISO alnea a todas las petroleras, a partir de 1977, y define 18 grados de

cStde temperatura.

La variacin de la viscosidad con la temperatura se conoce a travs del denominado ndice de Viscosidad VI -, obtenido mediante consideraciones empricas. Un ndice de viscosidad alto corresponde a fluidos de viscosidad bastante estable al variar la temperatura, mientras que si su valor es bajo seala que el aceite presenta modificaciones importantes con la temperatura. Los aceites utilizados en oleohidrulica deben tener un ndice de viscosidad superior a 75.

es la viscosidad a una presin absoluta de p bar

posee los valores siguientes para diferentes temperaturas 20C = 0,0024 bar-1 50C = 0,00205 bar-1 100 C = 0,00147 bar-1

De dichas frmulas resulta, por ejemplo, que la viscosidad para una presin de 100 bar y a 50 C es 1,22 veces que la correspondiente a la presin atmosfrica e igual temperatura; por otra parte se observa que la viscosidad aumenta con la presin y disminuye con la temperatura en los lquidos.

Compresibilidad

Se define la compresibilidad de un fluido como la capacidad para disminuir su volumen cuando se incrementa la presin a la que se encuentra sometido. Se cuantifica mediante el mdulo de elasticidad volumtrico K, que representa el cociente entre la variacin de presin y la variacin unitaria de volumen:

El valor correspondiente al agua es: Kagua= 2,1* Pa = 21.000 bar El de un aceite medio vale: Kaceite= 1,6 Pa = 16.000 bar Esto supone que para variar tan solo un 1% el volumen de aceite se ha de someter al fluido a una presin de 160 bar o que basta disminuir su volumen un 1% para incrementar la presin 160 bar

K=V*deltaP/deltaV

Fluidos Hidraulicos

Los lquidos elaborados en base a aceites minerales (Tambin llamados aceites hidrulicos), cumplen con los requisitos fundamentales.

Segn DIN 51524 y 51525 los aceites se clasifican en tres tipos segn sus propiedades y composicin.

Aceite Hidrulico HL (Antocorrosivo)

Aceite hidrulico HLP (Anticorrosivo y Resistencia Desgaste)

Aceite hidrulico HV (Indice viscocidad alto=no varia con t)

El H es de aceite hidraulico y lo dems corresponde al aditivo

Lquidos difcilmente inflamables HF

Denominacion Composicion Contenido % agua

HFA Emulsiones agua aceite

80-96

HFB Emulsiones agua aceite

40

HFC Soluciones acuosas glicol acuoso

35-55

HFD Liquidos anhidricos Ester de fosfato

0-0.1

Propiedades Densidad lo mas baja posible Poca compresibilidad Viscosidad no demasiado baja Buenas caractersticas de la viscosidad en funcin la temperatura Buenas caractersticas de la viscosidad en funcin la presin Buena resistencia al envejecimiento Baja Inflamabilidad

Adems deben Segregar el aire No formar espuma Resistencia al frio

3. Componentes Hidraulicos

Es importante recordar que la presin se genera solo cuando una resistencia se opone al fluido.

En el sistema hidrulico se producen impurezas debido al desgaste mecnico, al calentamiento, envejecimiento del aceite, por lo que se incluyen filtros en el circuito de aceite para eliminar la suciedad. El agua y los gases tambin deben ser eliminados.

Vlvulas Distribuidora

Reguladora Presin

Reguladora Caudal Regulando el vcaudal se puede regular la velocidad del cilindro. Mediante una valvula reguladora de caudal y presion se consigue el flujo estable.

Vlvula cierre Valvulas antiretorno simple y valvulas antiretorno desbloqueables, que pueden abrir el paso en el sentido normalmente bloqueado mediante una seal respectiva.

3. Componentes Hidraulicos

Componentes Hidraulicos

Estanque

Bomba

Filtro

Vlvulas

Actuadores

Tanque Hidrulico

Es el depsito de aspiracin e impulsin del sistema de bombeo, adems sirve de almacn

y reserva de aceite. Por otra parte tiene como misiones la separacin, en lo posible, del aire del

lquido hidrulico, la refrigeracin del aceite por simple transmisin de calor por sus paredes al

exterior, la toma de contacto del aceite con la presin atmosfrica y, por ltimo, su estructura sirve de soporte de la bomba, del motor de accionamiento y de otros elementos auxiliares.

El tanque dispone de los elementos siguientes:

aspiracin (3).

Las partculas slidas ms gruesas y los lodos formados por degradacin del aceite se van acumulando en la parte inferior del tanque. Cada cierto tiempo habr que hacer labores de mantenimiento, vaciado del tanque de aceite y limpieza del mismo. La chapa separadora (3) sirve para evitar el paso de burbujas de aire del retorno hacia la aspiracin de la bomba

El volumen del estanque es igual a 3 a 5 veces el volumen impulsado por la bomba en un minuto

El acumulador se utiliza como reserva de fluido a presin. Cuando el sistema requiere un caudal grande de fluido durante un tiempo corto dentro de su ciclo de funcionamiento. El acumulador se llena cuando la demanda de caudal es menor que el caudal suministrado por la bomba, de forma que cuando se produce un pico en la demanda es el acumulador junto con la bomba los que suministran el caudal necesario. De no existir el acumulador la bomba debera ser mayor para dar un caudal igual al del pico, pero habra de trabajar as durante todo el ciclo, con el consiguiente costo de energa. Adems una bomba ms pequea requiere un motor elctrico de menor potencia, un tanque de menor volumen, y vlvulas y tuberas ms reducidas, haciendo, todo ello que el ahorro pueda ser considerable. En todo caso es conveniente que el acumulador se site en un punto cercano al consumidor, con el fin de que sea capaz de proporcionar un fuerte caudal aunque sea durante un lapso muy corto de tiempo.

Bombas

El caudal que proporcionan es en principio independiente de la presin generada, ya que ser equivalente al volumen de una cilindrada por el nmero de stas por unidad de tiempo; sin embargo, la presin hace que se produzcan prdidas volumtricas, es decir que parte del lquido pase a uno u otro lado del elemento desplazador e incluso fugue al exterior, o bien las vlvulas, si dispone de ellas, no se abran o cierren en el momento adecuado, por ello el caudal disminuye algo a medida que se incrementa la presin.

Bombas Rotativas Las bombas rotativas son bombas de desplazamiento positivo en las que el rgano desplazador gira sobre un eje; reciben tambin el nombre de rotoestticas. Bombas Alternativas La bomba alternativa es una bomba de movimiento alternativo compuesta bsicamente de un cilindro cerrado que contiene un pistn o mbolo como mecanismo de desplazamiento.

Se construyen bombas alternativas para presiones de hasta 320 bar e incluso bastante mayores y rotativas hasta 250 bar o superiores.

Bombas

Bomba Engranajes externos

Bomba Engranajes internos +Economivas +Ruidosa

Bomba Paletas

Bombas

Caractersticas

Presin Nominal (Kpa)

Desplazamiento (cm3/rev) (rpm)

Caudal Nominal (litros/min)

Rendimiento Volumtrico (%)

Engranaje (Externo)

Media Luna (Interno)

Aunque son mas caras que las bombas de engranaje interno, estas (Interno) son menos ruidosas

Paleta- No Equilibrado

Paleta- Equilibrado

Anillo elptico en lugar de circular

Dos orificios de salida separados en 180 grados, para que las fuerzas de presin sobre el rotor se cancelen, evitandose las cargas lateales sobre el eje.

Axial Piston

Bomba de piston axial

Bomba de piston axial

Bomba de piston axial

Bomba de piston axial

Bomba de piston axial

Bomba de piston axial

Bomba de piston axial

Bomba de piston axial

Bomba de piston axial

Bomba de piston axial

Bomba de piston axial

Bomba de piston axial

Bomba de piston axial

Bomba de piston axial

Bomba de piston axial

Bomba de piston axial

Bomba de piston axial

Radial Piston

Lobulo

Vlvulas

Vlvula de seguridad

La vlvula de seguridad que lleva todo grupo hidrulico es en realidad una vlvula limitadora de presin; tiene como misin que cuando un cilindro alcance su punto muerto anterior o posterior y la bomba contine proporcionando aceite, la presin no se eleve indefinidamente sino que se limite a un valor de consigna; llegado ese momento se abre la vlvula de seguridad y dirige el aceite directamente al tanque.

FPA Diagrama

Dimetro Pistn

Fuerza

Presin

3. Filtros

El fluido sometido a presin puede contener suciedad por los siguientes motivos: Suciedad inicial durante la puesta en marcha: virutas de metal, arena de fundicin, polvo, perlas de soldadura, escoria, pintura, medios de obturacin, etc.

Suciedad producida durante el funcionamiento a causa de la abrasin, penetracin por juntas y/o aireacin del depsito, rellenado o cambio de lquido, cambio de componentes, etc.

El 70% de los desperfectos depende de la contaminacin del sistema !

Filtro

La seleccin de filtro debe estar basada en los siguientes

criterios bsicos:

Sensibilidad al ensuciamiento de componentes hidrulicos

Campo de empleo del equipo

Determinacin del caudal que fluye a travs del filtro

Cada de presin recomendada para elementos limpios

Filtro

El filtrado del lquido hidrulico es muy importante para el mantenimiento correcto de sus funciones y para conseguir una duracin dilatada de los elementos de la instalacin.

Las partculas metlicas desprendidas de tuberas, vlvulas y cilindros; los fragmentos de juntas arrancadas por rozamiento, el polvo que invade la instalacin hidrulica, forman partculas, ms o menos grandes, que han de separarse del aceite por medio de filtros, para preservar la vida de los elementos que constituyen el sistema, especialmente la bomba y las vlvulas, ya que la suciedad produce un gran desgaste en las piezas mviles de la instalacin hidrulica.

Filtro de Aspiracin

Filtro de aspiracin requiere de un mantenimiento exhaustivo ya que de no ser as causara la cavitacin en la bomba, pudiendo producir una gran disfuncionalidad en la misma. Defiende la instalacin de partculas gruesas. Si se pretendiera realizar un filtrado ms fino la prdida de carga generada producira inexorablemente cavitacin, cuestin inadmisible en una bomba. Las ventajas de este filtro es su fcil montaje y su precio reducido, ya que trabaja a presin reducida, adems de proteger a todos los elementos hidrulicos de las partculas ms gruesas. Tiene el inconveniente de encontrarse dentro del tanque sumergido en el aceite con la consiguiente dificultad para el mantenimiento.

Filtro de Impulsin

Filtro de impulsin, tambin llamado de presin ubicado aguas abajo de la bomba y aguas arriba de vlvulas y cilindros. Elimina partculas muy finas para proteger elementos especficos de la instalacin, fundamentalmente los elementos citados. Se usa, por ejemplo, con servovlvulas o vlvulas proporcionales, que tienen unos requerimientos de limpieza extremos.

Se puede montar directamente delante de los elementos sensibles. Tiene un fcil mantenimiento ya que est en posicin visible de fcil desmontaje. Tiene como inconveniente que ha de ser robusto para resistir la presin a que est sometido, lo cual redunda en un mayor peso y costo. La perdida de carga es alta debido a que su paso forzosamente es fino, esto genera calentamiento del aceite, lo cual exigir una refrigeracin forzada.

Filtro de Retorno y Aireador

Filtro de retorno alojado aguas abajo de los cilindros, en la tubera de retorno al tanque, normalmente dispuesto en la tapa superior del mismo. Generalmente llevan algn elemento indicador de su grado de suciedad, como puede ser un manmetro o un presostato. Se dispone generalmente en paralelo con una vlvula antirretorno calibrada que se abrir en el momento en que el filtro tenga un grado de suciedad determinado, desalojando el aceite por el puente. Dicha vlvula trabaja como si fuera una vlvula de seguridad que protege el filtro y el sistema.

Filtro de llenado , tambin llamado aireador porque garantiza que el depsito est a presin atmosfrica, es el filtro situado en el tapn de llenado que realiza el filtrado del aceite con el que se llena el tanque inicialmente y en las renovaciones peridicas del mismo

Posiciones Filtro

NORMA ISO 4406: Determina en forma simple el mtodo de informar sobre un GRFICO la cantidad de partculas previamente contadas por algn mtodo, ya sea ptico o automtico, de manera de determinar los CDIGOS Y NIVELES DE CONTAMINACIN.

Este norma es la mas utilizada hoy en da , y esta compuesta por tres ndices que indican el tamao de la partcula y la cantidad de contaminantes

que hay en 100ml.