PRINCIPIOS DE MANTENIMIENTO ELECTROMECÁNICO CFGM 2º CONFECCIÓN Y MODA UNIDAD DE TRABAJO 4 PRINCIPIOS DE HIDRÁULICA

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1 UNIDAD DE TRABAJO 4 PRINCIPIOS DE HIDRÁULICA 1. DIFERENCIAS ENTRE LA NEUMÁTICA Y LA HIDRÁULICA Los sistemas hidráulicos, a diferencia de los circuitos neumáticos, no emplean aire, sino un liquido. Este apenas se comprime al ser sometido a presiones elevadas permitiendo intensificar la fuerza. Normalmente, se emplea un aceite mineral como fluido de trabajo, de ahí que los circuitos también se conozcan como circuitos oleohidráulicos. Algunas de las ventajas de la oleohidráulica con respecto a la neumática son: Permiten trabajar con elevados niveles de fuerza. Mayor exactitud del movimiento que en neumática, pudiendo ser del orden de micrómetros (µm). Al trabajar a menores velocidades son más silenciosos. Instalaciones mas pequeñas y compactas (para evitar las pérdidas de carga) Pueden realizarse cambios rápidos de sentido. El aceite empleado en el sistema es fácilmente recuperable. Menor consumo energético. En general, podemos afirmar que la hidráulica se usa allí donde se requiere grandes esfuerzos o paradas en medio del avance; como por ejemplo en elevación de camiones, grúas y elevadores hidráulicos, alerones de frenado de los aviones (flaps)... En la industria textil lo podemos encontrar en foulars, jiggers abiertos o cerrados 1

2 Por otro lado, cabe resaltar las siguientes desventajas de la oleohidráulica: Los elementos de los circuitos deben ser más robustos y resistentes (más caros), ya que se trabaja a mayores presiones. Se producen más perdidas de carga, es decir perdida de energía a medida que el fluido circula por la tubería, debido a la mayor viscosidad del fluido (por eso los circuitos han de ser de menores dimensiones, y la velocidad de trabajo es menor). Fluido más caro y sensible a la contaminación. Mantenimiento más complejo y especializado. El fluido es un contaminante, por lo que una vez cumple su función en el actuador, debe volver a un deposito, lo que permite su reutilización y evita la contaminación. El sobrecalentamiento del aceite puede originar incendios fugas (contaminación). En neumática normalmente existe una unidad de producción para toda una planta; mientras que en oleohidráulica lo normal es una unidad por maquina. Esquema de un foulard. 2

3 2. PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS HIDRÁULICOS a. Densidad Suponiendo el fluido homogéneo, la densidad es la masa partido el volumen: La compresión que sufren los aceites hidráulicos la podemos considerar despreciable. Por lo tanto, la densidad del fluido no varía significativamente con la presión. b. Presión de vapor Es la presión que ejercen las moléculas de un líquido al vaporizarse sobre la superficie del líquido. Esta presión depende de la temperatura. Si la presión de vapor se iguala a la del ambiente, el fluido hierve. c. Cavitación Fenómeno que produce que en un fluido se forme una bolsa de vapor (de ese fluido) que vuelve a condensarse. Este fenómeno erosiona las partes metálicas que tiene a su alrededor, al someterlas a grandes gradientes de presión. d. Viscosidad Es debida al roce entre las moléculas de un fluido. Por lo tanto, representa una medida de la resistencia del fluido a su movimiento. En todos los líquidos, la viscosidad disminuye con el aumento de la temperatura. e. Índice de viscosidad (I.V.) Existen diferentes tablas de clasificación de los aceites en función de su viscosidad. Destaca la americana S.A.E. en la que se obtiene la viscosidad del aceite en cuestión, comparándola con dos aceites patrones. Como la viscosidad es función de la temperatura, para los aceites de automoción se indican dos viscosidades, por ejemplo 15 W40, donde 40 representa la viscosidad a temperatura de arranque y 15 a la temperatura normal de funcionamiento de la máquina. f. Capacidad de lubricación Todo ingenio mecánico que tenga partes móviles con rozamiento entre ellas presenta una holgura controlada, en la que se deposita una película de aceite que impide la fricción entre dichas piezas, alargando la vida útil de la máquina y aumentando el rendimiento total, puesto que reduce el rozamiento. g. Resistencia a la oxidación Los aceites no sintéticos, son compuestos orgánicos derivados del petróleo con componentes químicos, tales como el carbono e hidrógeno, que reaccionan fácilmente con el oxígeno atmosférico, degradando considerablemente al aceite. Aunque la oxidación aumenta con la temperatura, no es significativa para temperaturas inferiores a los 57 C. 3

4 3. PRINCIPIOS FÍSICOS a. Principio de Pascal La presión aplicada a un fluido confinado se transmite íntegramente en todas las direcciones y ejerce fuerzas iguales sobre áreas iguales, actuando estas fuerzas normalmente a las paredes del recipiente. En cuanto a los desplazamientos de los émbolos, como el volumen de líquido que sale del cilindro 1 es igual al que entra en el cilindro 2 l1 desplazamiento del émbolo 1 l2 desplazamiento del émbolo 2 b. Potencia de una bomba La potencia necesaria de la bomba es función de h P = Potencia en W p = Presión en N/m2= Pa Q= Caudal en m3/s η = Rendimiento de la bomba 4

5 c. Régimen laminar Se produce cuando las moléculas del fluido se desplazan dentro de una conducción de forma ordenada. d. Régimen turbulento Se produce cuando las moléculas del fluido se desplazan dentro de una conducción de forma desordenada. El cociente entre la fuerza de inercia, que tiende a provocar la turbulencia y las fuerzas viscosas que las amortiguan se denomina número de Reynolds (Re) Se ha determinado, de forma experimental, que para un número de Re < 2000 tenemos un régimen laminar y para un número de Re > 2000 tenemos un régimen turbulento. e. Ley de continuidad Considerando a los líquidos como incomprensibles y con densidades constantes, por cada sección de un tubo pasará el mismo caudal por unidad de tiempo. Cuando las secciones de las conducciones son circulares, donde la velocidad varía de forma inversamente proporcional al cuadrado del diámetro. 5

6 f. Teorema de Bernouilli Si consideramos dos secciones en un mismo conductor, podemos establecer el siguiente balance energético: i. Energía estática potencial: depende de la masa y la posición relativa de esa masa. ii. Energía hidrostática debida a la presión: determina el trabajo desarrollado en cada momento iii. Energía hidrodinámica: es debida a la energía cinética del fluido, por lo tanto depende de la velocidad. Si consideramos dos secciones diferentes, tal y como se indican en la figura anterior, y sumamos todas las energías que entran en juego: Como A l es el volumen desplazado del fluido, y como V1 = V2 = V y quedaría: denominada ecuación de Bernouilli En instalaciones horizontales, la variación de energía potencial es cero, por lo que: Por lo tanto, si disminuye la velocidad, debe aumentar la presión para que la igualdad se mantenga. Por otra parte, como la masa de fluido en una determinada sección es pequeña, la energía cinética, aunque tengamos velocidades considerables, es despreciable en instalaciones de este tipo. El transporte de energía es función de la presión a que sometemos el fluido. 6

7 g. Efecto Venturi El efecto Venturi (también conocido tubo de Venturi) consiste en que un fluido en movimiento dentro de un conducto cerrado disminuye su presión al aumentar la velocidad después de pasar por una zona de sección menor. Si en este punto del conducto se introduce el extremo de otro conducto, se produce una aspiración del fluido contenido en este segundo conducto. Este efecto, demostrado en 1797, recibe italiano Giovanni Battista Venturi ( ). su nombre del físico El efecto Venturi se explica por el Principio de Bernoulli y el principio de continuidad de masa. Si el caudal de un fluido es constante pero la sección disminuye, necesariamente la velocidad aumenta tras atravesar esta sección. Por el teorema de la conservación de la energía mecánica, si la energía cinética aumenta, la energía determinada por el valor de la presión disminuye forzosamente. 7

8 4. CIRCUITOS HIDRÁULICOS La gran diferencia entre los circuitos neumáticos e hidráulicos es que el aceite debe de retornar al depósito. La mayoría de componentes neumáticos vistos en el tema anterior tienen su versión para hidráulica. a. GRUPO DE ACCIONAMIENTO El elemento principal es la bomba que impulsa el fluido a una presión determinada. Características de la bomba son la presión, y el caudal. Tipos de bombas: Bomba de engranajes, consta de dos ruedas dentadas idénticas, una de ellas es movida por un motor y hace girar a la otra, en la cámara unida al depósito se genera una depresión que aspira el fluido. Bomba de tornillo, formada por dos tornillos helicoidales que engranan, ajustando perfectamente entre sí y con la carcasa. Un tornillo es accionado por el motor, en su movimiento hace girar al otro tornillo y entre los mismos fluye el aceite. 8

9 Bomba de paletas, formada por un rotor que gira excéntricamente provisto de unas paletas que se deslizan radialmente, las paletas impulsan el aceite. Bomba de émbolos axiales, consta de una carcasa en cuyo interior gira el eje conjuntamente con el bloque en el que se encuentran los émbolos dispuestos de forma axial. El giro del eje produce el movimiento de los émbolos que impulsan el aceite. El Depósito, a diferencia de la neumática es necesario un depósito acumulador donde almacenar el fluido, desde los escapes el fluido debe de retornar al depósito. Manómetro, similar al sistema neumático mide la presión. Filtro, filtra las partículas que puedan depositarse en el fluido. Válvula limitadora de presión, es el equivalente a la reguladora de presión neumática, cuando el sistema supera la presión abre paso del fluido hacia el depósito evitando las sobrepresiones. Si en una instalación neumática es habitual disponer de un recinto donde se genera el aire a presión que es distribuido a través de tuberías a las instalaciones. En los sistemas hidráulicos es más habitual que cada máquina tenga su grupo de accionamiento para abastecer de fluido a dicha máquina. 9

10 b. OTROS ELEMENTOS Junto al grupo de accionamiento los circuitos hidráulicos deben de tener otros elementos. i. Red de distribución Debe garantizar la presión y velocidad del aceite en todos los puntos de uso. En las instalaciones oleohidráulicas, al contrario de las neumáticas, es necesario un circuito de retorno de fluido, ya que este se vuelve a utilizar una y otra vez. El material utilizado suele ser acero o plástico reforzado y depende de su uso. ii. Elementos de regulación y control Son los encargados de regular el paso del aceite desde las bombas a los elementos actuadores. Estos elementos, que se denominan válvulas, pueden ser activados de diversas formas: manualmente, por circuitos eléctricos, neumáticos, hidráulicos o mecánicos. La clasificación de estas válvulas se puede hacer en tres grandes grupos. 1. Válvulas de dirección o distribuidores Estos elementos se definen por el número de orificios (vías) y las posiciones posibles, así como por su forma de activación y desactivación. 10

11 2. Válvulas antirretorno Permiten el paso del aceite en un determinado sentido, quedando bloqueado en sentido contrario. 3. Válvulas de regulación de presión y caudal Son elementos que, en una misma instalación hidráulica, nos permiten disponer de diferentes presiones y caudales. Pueden ser estranguladoras, temporizadoras, etc. y se utilizan para modificar la velocidad de los elementos actuadores, también llamados de trabajo. 11

12 iii. Elementos actuadores o de trabajo Son los encargados de transformar la energía oleohidráulica en otra energía, generalmente de tipo mecánico. Los podemos clasificar en dos grandes grupos: cilindros y motores. 1. Cilindros Transforman la energía oleohidráulica en energía mecánica con un movimiento rectilíneo alternativo. Los hay de dos tipos: Cilindros de simple efecto Sólo realizan trabajo útil en un sentido de desplazamiento del vástago. Para que el émbolo recupere la posición de reposo se dota al cilindro de un muelle. Normalmente este muelle está diseñado para almacenar el 6% de la fuerza de empuje, o bien, como es el caso de los elevadores hidráulicos, aprovechan la acción de la gravedad. Cilindro de simple efecto retorno por muelle Símbolo del cilindro de simple efecto retorno por muelle 12

13 Cilindros de doble efecto Estos elementos pueden realizar trabajo en ambos sentidos de desplazamiento. Sin embargo hay que tener en cuenta que la fuerza de avance y retroceso es diferente, ya que en un sentido hay que tener en cuenta el diámetro del vástago. Cilindro de doble efecto Símbolo del cilindro de doble efecto 2. Motores Son elementos que transforman la energía oleohidráulica en energía mecánica de rotación. Los hay de diversos tipos, entre los que cabe destacar: de engranajes, de pistones y rotativos de paletas. 13