FLUIDOS HID

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(No Transcript)
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FLUIDOS HIDÁULICOS. PROPIEDADES
El empleo del fluido hidráulico como elemento de
accionamiento y gobierno de máquinas sustituye,
con ventaja, a una serie de órganos mecánicos
convencionales como palancas, árboles de
transmisión, usillos de avance, engranajes, etc.
reduciendo los problemas de desgaste y
mantenimiento, además de estar exentos de
vibraciones y ser muy fácil la regulación de
velocidad. La hidráulica comenzó a desarrollase
en el siglo XVII, basándose en el principio de
Pascal, según el cual un fluido confinado puede
trasmitir energía multiplicando la fuerza y
modificando el desplazamiento.
Rueda hidráulica
Freno hidráulico
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Densidad
Es una propiedad de todos los materiales que se
define como el cociente entre la masa y el
volumen que ella ocupa. d m / V
Los líquidos se consideran en general, fluidos
incompresibles. El aceite hidráulico se comprime
aproximadamente un 0,5 a una presión de 70 bar,
lo que es despreciable. Al igual que los gases,
carecen de forma propia y adoptan la forma del
recipiente que los aloja. La densidad relativa es
el cociente entre la densidad del material en
cuestión y la del agua. También puede expresarse
como la relación entre la masa de ese material y
el volumen de igual masa de agua. El agua tiene
una densidad de 1 kg/dm3, a 4 ºC. La densidad
relativa es adimensional e indica cuantas veces
es un volumen de un material mas pesado que el
mismo volumen de agua.
Presión de vapor
La evaporación de los líquidos se produce porque
sus moléculas escapan de su superficie. Si
cerramos el líquido en un espacio, las moléculas
del vapor generado ejercen una presión parcial en
dicho espacio que se denomina presión de vapor.
En el equilibrio, el número de moléculas que
salen del líquido en forma de vapor coincide con
las que se condensan. Este hecho depende
solamente de la temperatura.
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Si la presión alrededor de un líquido coincide
con la de vapor, el líquido hierve. Puede suceder
que en el movimiento de líquidos se produzcan
presiones muy bajas en algunos lugares. Si esta
presión es igual o inferior a la de vapor, el
líquido se transforma en vapor, y se forman
bolsas que se retiran de su zona de origen y se
transforman de nuevo en líquido. Éste fenómeno de
implosiones se denomina cavitación, y tiene como
consecuencia la erosión de las partes metálicas
en bombas y turbinas.
Viscosidad
La viscosidad consiste en el frotamiento interior
entre las moléculas de un fluido, y representa
una medida de la resistencia del fluido en su
movimiento. Si un fluido circula fácilmente es de
viscosidad baja, si el fluido circula con
dificultad tendremos viscosidad alta. En el caso
de los líquidos la viscosidad disminuye con la
temperatura. Una viscosidad alta aumenta la
fricción y por tanto la potencia consumida. En
Física, la viscosidad se define como la
resistencia que ofrece una capa de fluido a
desplazarse sobre otra. Si tomamos dos placas
paralelas separadas una distancia y, con el
espacio entre ellas lleno de fluido, y suponiendo
que la placa superior se mueva con una velocidad
constante (v) al actuar sobre ella una fuerza
también constante (F), el fluido en contacto con
la placa móvil se adhiere a ella moviéndose a su
misma velocidad (U), mientras que el fluido en
contacto con la placa fija permanecerá en reposo.

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La experiencia demuestra que la fuerza (F) es
proporcional al área y a la variación de la
velocidad con la separación y. Al coeficiente de
proporcionalidad µ se le denomina viscosidad
absoluta o viscosidad dinámica.
Al cociente entre la fuerza y la sección cuando
ambas están en el mismo plano se denomina tensión
de cortadura (t). La unidad de viscosidad en el
sistema CGS es el poise 1 poise 1 dina .
Segundo / 1 cm2 Se conoce como viscosidad
cinemática (?), al cociente entre la viscosidad
absoluta y la densidad. Su unidad en el sistema
CGS es el stoke. ? µ / d Las unidades en
el SI son kg.s/m2 para la viscosidad absoluta
y m2/s para la cinemática. La viscosidad es
una característica que varía en los aceites con
la temperatura. Para paliar este efecto se añaden
aditivos, con los que se consigue un
comportamiento semejante en invierno y verano.
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Índice de viscosidad.
Esta característica se produce por los diferentes
tipos de petróleo de los que se obtienen los
aceites minerales.
Punto de fluidez.
El punto de fluidez es la temperatura más baja a
la que un líquido puede fluir. En el aceite
hidráulico es muy importante conocer ésta
característica cuando se utiliza a temperaturas
muy bajas.
Capacidad de lubricación.
Si el aceite tiene una viscosidad adecuada se
podrá evitar que las imperfecciones de las
superficies metálicas entren en contacto.
Resistencia a la oxidación.
Los aceites derivados del petróleo son muy
susceptibles a la oxidación. Como elementos
activadores de la oxidación tenemos el calor, la
presión, los contaminantes, el agua, las
superficies metálicas y la agitación. El elemento
mas importante es el calor. Los fabricantes
añaden antioxidantes para evitar este efecto.
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Fluido estacionario. Flujo laminar y flujo
turbulento.
Un fluido real debido a la viscosidad, tendrá una
mayor velocidad en el centro del tubo que en las
partes más alejadas. Decimos que un régimen es la
minar cuando, aunque cada línea de corriente
tenga diferente velocidad, deslizan unas sobre
otras no entremezclándose. En caso contrario se
dice que el flujo es turbulento. La viscosidad
del fluido amortigua la turbulencia. Las
velocidades admitidas en el interior de las
tuberías son De 1,5 a 2,5 m/s para aspiración y
descarga. De 2,5 a 5 m/s para tuberías de presión.
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PRINCIPIOS FÍSICOS FUNDAMENTALES
Principio de Pascal. La prensa hidráulica
La ley de Pascal dice La presión aplicada a un
fluido confinado se trasmite íntegramente en
todas las direcciones y ejerce fuerzas iguales
sobre áreas iguales, actuando estas fuerzas
normalmente a las paredes del recipiente.
La presión es utilizando como
unidad el bar (aproximadamente 1 kp/cm2 ), la
fuerza sobre el fondo de la botella es

El principio de la prensa hidráulica si tenemos
dos cilindros de diferente sección unidos por una
conducción y se aplica una fuerza F1 sobre el
émbolo de menor sección S1, como la presión se
trasmite en todas direcciones por igual, se
tendrá
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El desplazamiento del émbolo de menor diámetro
debe ser mayor al del émbolo de mayor superficie,
por tanto es necesario disponer de un depósito
auxiliar que permita desplazar al émbolo mayor
con varias emboladas o carreras del menor ya que
los volúmenes del líquido que sale del cilindro
menor será igual al volumen que llega al mayor.
Ley de continuidad.
Definiendo el caudal como el volumen de líquido
que circula por unidad de tiempo, y teniendo en
cuenta que los caudales que atraviesan cada
sección han de ser iguales, Q1 Q2, se deduce

Ley de continuidad que dice que las velocidades y
las secciones son inversamente proporcionales.
Como las secciones son circulares tenemos
Podemos decir que la velocidad será inversa al
cuadrado del diámetro.
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Teorema de Bernouilli. Energía hidráulica.

• Establecemos el siguiente balance energético
• Una energía estática (energía potencial), debida
  a la masa y que depende de la altura de la
  columna sobre el nivel de referencia. Su valor
  mgh1 y mgh2.
• Una energía hidrostática debida a la presión. Su
  valor lo podemos medir por el trabajo
  desarrollado en cada zona

• p1S1I1 y p2S2I2 (pS representa la fuerza).
• Una energía hidrodinámica (energía cinética),
  debida a la velocidad. Su valor en cada zona 1/2
  mv12 y 1/2 mv22.
• La suma de energías en una y otra zona será igual

Considerando que el producto SI representa el
volumen, que será igual en ambas zonas, y que la
masa es el producto de la densidad por el volumen
(m dV), dividiendo entre el volumen, tenemos la
ecuación de Bernouilli para el flujo de un fluido
en régimen estable
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Suponiendo una conducción horizontal h1 h2, nos
quedará
Vemos que si disminuye la velocidad debe aumentar
la presión para que la igualdad se mantenga. Por
la ley de continuidad
valor que sustituimos en la diferencia de
presiones
de donde

• Podemos hacer las siguientes consideraciones
• Se puede despreciar la variación de energía
  potencial, pues los circuitos no presentan
  grandes desniveles en su montaje.
• La variación de energía cinética es pequeña
  debido a la pequeña masa de aceite ya que los
  tubos son muy estrechos.
• El transporte de energía por el aceite se debe
  fundamentalmente a su presión.

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Potencia hidráulica.
La potencia necesaria en una bomba hidráulica se
puede calcular dividiendo la energía de presión
entre el tiempo, sabiendo que el volumen dividido
por el tiempo es el caudal, tenemos
En el SI las unidades son
P potencia en W. p presión en N/m2. Q
caudal en m3/s. ? rendimiento (entre 0,75 y
0,95)
Pérdida de carga.
La pérdida de carga, o caída de presión es la
disminución de presión que experimenta un líquido
al circular por un conducto. Deben ser lo más
pequeña posible. Se calcula mediante
Donde hf pérdida de carga en altura de
columna de líquido I longitud del conducto, D
diámetro del conducto v velocidad de
circulación del líquido, g gravedad ?
coeficiente de fricción o rozamiento
(adimensional)
Recordar que multiplicando altura por densidad y
por gravedad se obtiene la presión.
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VENTAJAS DE LA HIDRÚLICA. INSTALACIONES HIRÚLICAS

• Fácil regulación de la velocidad.
• Reversibilidad instantánea de los accionamientos.
• Producción de grandes fuerzas.
• Los actuadores pueden detenerse en cualquier
  posición.
• La estructura de bloques de una instalación
  hidráulica responde al esquema

El motor eléctrico acciona la bomba. La bomba se
encarga de generar la presión de trabajo y el
caudal requerido por los elementos de trabajo.
Los elementos de transporte, tuberías y racores,
se encargan de transportar el fluido hasta el
lugar de consumo. Los elementos de trabajo son
los actuadores, tanto motores como cilindros que
para su correcto funcionamiento utilizan
elementos de regulación y control.
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ELEMENTOS DE POTENCIA. BOMBAS HIDRÁULICAS. TIPOS

• Las bombas hidráulicas son los elementos que se
  encargan de impulsar el caudal hidráulico.
• Existen dos tipos
• Hidrodinámicas. Son de tipo turbina . Su
  capacidad de presión depende de la velocidad de
  rotación. Se emplean para mover el fluido, pero
  no como elementos de presión, ya que pueden mover
  grandes caudales pero su presión de trabajo es
  pequeña.
• Hidrostáticas. Se emplean para automatización

Características de las bombas.

• Valor nominal de la presión. Es la presión de
  trabajo para la que está fabricada la bomba.
• Caudal. Se suele expresar en l/min. Puede variar
  con la frecuencia de rotación.
• Desplazamiento. Es el volumen de líquido bombeado
  en una vuelta completa. El producto de este por
  las revoluciones dará el caudal.
• Rendimiento volumétrico. Es el cociente entre el
  caudal real y el teórico.

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• Rendimiento total. Es el cociente entre la
  potencia hidráulica que se obtiene y la potencia
  mecánica que consume.

Bomba de engranajes.
Es la más empleada en los mandos hidráulicos,
especialmente móviles, por su sencillez y
economía.
La presión de servicio pede llegar a 200 bar, y
la rotación entre 500 y 6000 rpm. Para calcular
el caudal teórico tenemos
Siendo z número de dientes de una de las
ruedas. m módulo del dentado. h
longitud de los dientes en mm. n rpm del
engranaje.
El caudal teórico habrá que multiplicarlo por el
rendimiento volumétrico, que varía entre 0,75 y
0,85.
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Bomba de tornillo.
Constituidas por dos o tres tornillos
helicoidales que engranan y ajustan entre si. Son
muy silenciosas.
El caudal lo da la expresión
Q caudal en l/min. De y Di diámetros exterior
e interior del tornillo en mm. s paso del
tornillo en mm. n velocidad de giro en rpm.
Bomba de paletas.
También se construyen para caudal regulable pero
son más caras. El caudal se calcula
Q caudal en l/min. D Diámetro interior de la
carcasa en mm. e excentricidad en mm. h
longitud de la paleta en mm. n velocidad de
giro en rpm.
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Bomba de pistones.
Se utilizan cuando son necesarias elevadas
presiones, pueden llegar a 700 bar. La cilindrada
es pequeña varia entre 0,5 y 100 cm3, y las
revoluciones de 100 a 3000 rpm. Su rendimiento
volumétrico está en torno al 95. Se puede
modificar el caudal. Los pistones, absorben el
aceite al expandirse y lo expulsan al comprimirse.
Para obtener el caudal tenemos
Q caudal en l/min. D Diámetro del émbolo en
mm. e excentricidad en mm. z número de
émbolos. n velocidad de giro en rpm.
Se diferencia de la anterior en que los pistones
se mueven en dirección axial en lugar de radial.
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Unidad hidráulica. Depósito, filtro, manómetro,
válvulas.
La unidad hidráulica es el lugar donde se genera
la potencia hidráulica (presión y caudal). Suele
presentarse en un bloque cerrado donde que
contiene el depósito, la bomba, el motor de
accionamiento, las válvulas de seguridad, un
manómetro un filtro y en ocasiones un radiador
para eliminar el exceso de calor del aceite.
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ELEMENTOS DE DISTRIBUCIÓN Y REGULACIÓN. VÁLVULAS
Las válvulas son los elementos que sirven para
gobernar los sistemas hidráulicos. Ellas regulan
la presión, regulan el paso del fluido y
gobiernan los elementos de trabajo.
Válvulas distribuidoras.
Son elementos hidráulicos que dirigen el paso del
aceite haciendo posible el gobierno de los
órganos de trabajo. En ocasiones también se
emplean para gobernar (pilotar) otras válvulas
dentro del circuito hidráulico.
Válvulas de caudal.

• Son elementos de gobierno que se utilizan para
  modificar la velocidad de los elementos de
  trabajo variando el caudal de alimentación. Para
  ello se varía el orificio de paso en razón de la
  velocidad deseada.
• Válvulas reguladoras de caudal fijo. Ofrecen una
  sección constante al paso del fluido. Se emplea
  para modificar de forma sencilla la velocidad de
  los órganos de trabajo cuando las condiciones de
  presión son bastante constantes.

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Se origina una pérdida de energía que llamamos
caída de presión que será ?p pe1- pe2

• Válvulas reguladoras de caudal variable.

Producen una resistencia hidráulica ajustable. Se
emplean para ajustar con sencillez la velocidad
de los órganos de trabajo.

• Regulación del caudal en función de la variación
  de presión.

En ellas si ?p permanece constante con
independencia de la presión de entrada, también
permanece constante el caudal que pasa por el
circuito de estrangulación, que es lo que
pretendemos.

• Válvulas reguladoras de caudal con antirretorno.

Regulan el paso en un sentido y dejan que circule
libremente en sentido contrario.
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Válvulas reguladoras de presión. Definición y
clases.
Son elementos de gobierno que acondicionan la
presión de la instalación a una presión constante
de trabajo.

• Válvulas limitadoras de presión.
• Limitan la presión de trabajo a un máximo
  admisible. Protegen a los circuitos hidráulicos
  contra las sobrecargas. Deben colocarse
  inmediatamente detrás de la bomba para evitar
  accidentes por sobrepresión. También se denominan
  válvulas de seguridad.

• Válvulas reguladoras de presión (de 2 vías y de
  tres vías).

Tienen por objeto reducir una presión de salida
ajustable con respecto a una presión superior de
entrada. Se utilizan en todos los circuitos en
que se necesite una presión de salida
rigurosamente constante. En la de tres vías, By
Pass al llegar una presión determinada la válvula
abre un segundo paso como si le añadiéramos una
limitadora.
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ELEMENTOS DE TRABAJO. CILINDROS Y MOTORES.
Los elementos de trabajo sirven para convertir la
energía de presión en movimiento de trabajo. Los
lineales se denominan cilindros y los rotativos
motores.

• Cilindros de simple efecto.

Transforman la energía de presión en un
movimiento rectilíneo. El impulso activo se
produce en un solo sentido. La recuperación se
produce por un muelle. Se utilizan cuando se
requiere un trabajo de compresión, levantar,
sujetar, introducir, expulsar, etc..

• Cilindros de doble efecto.

Realizan trabajo tanto en la carrera de avance
como en la de retroceso.

• Motores hidráulicos.

El motor hidráulico entrega un par motor en el
eje de salida. Convierte la energía hidráulica en
energía mecánica. Su funcionamiento es inverso al
de las bombas. Se suelen emplear motores de
engranajes, de paletas y de pistones. Su
configuración es semejante a las bombas de la
misma denominación.
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Motores de engranajes. Se emplean por ser
sencillos y económicos. Son de reducido tamaño.
Giran en ambos sentidos. Motores de paletas. Son
de empleo muy frecuente. Motores de pistones. Son
los más utilizados. Los hay de pistones radiales
y axiales, y de cilindrada fija y variable. A
igualdad de potencia presentan menor velocidad
que los eléctricos pero presentan un par mucho
mayor.
SIMBOLOGÍA HIDRÁULICA

• Conductos de conexión y tomas

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• Bombas.

• Cilindros.

• Fuentes de energía.

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• Gobierno de cilindros.

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• Distribuidores y válvulas.

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• Varios.

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EJEMPLOS DE APLICACIÓN
Gobierno de un cilindro de simple efecto.
El grupo de accionamiento está formado por el
motor, la bomba y la válvula limitadora de
presión que eleva la presión de aceite necesaria
en la instalación hasta la presión de trabajo. El
manómetro indica la presión de trabajo. El
cilindro de simple efecto es accionado por una
válvula 3/2 de accionamiento manual y retorno por
muelle, normalmente cerrada. Al ser accionada la
válvula conmuta su posición y permite el paso del
fluido hasta el cilindro, este avanza recorriendo
todo su recorrido. Al ser nuevamente accionada
el aceite a presión sale del cilindro.
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Mando de un cilindro de doble efecto.
En este caso la diferencia consiste en la
utilización de una válvula distribuidora 4/2
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Mando de un cilindro de doble efecto mediante
válvula 4/3
La válvula 4/3 ofrece la particularidad de que,
cuando está en la posición central, el aceite
pasa directamente al depósito. Al accionar la
posición (1), la válvula conecta la entrada de
presión P con el conducto de trabajo B y el
conducto de trabajo A con el escape a depósito
R, con lo que el vástago del cilindro avanza. Si
se acciona la posición (3) ocurre lo contrario
se conecta P con A y B con escape, con lo que el
cilindro retrocede. Si en cualquier momento se
conmuta la válvula a la posición (2), el
movimiento del cilindro se interrumpe.
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Regulación de la velocidad de avance de un
cilindro.
El cilindro de doble efecto está accionado por
una válvula 4/2 de accionamiento manual y retorno
por muelle, NC. La regulación de velocidad se
consigue poniendo una válvula de regulación de
caudal en la entrada del cilindro, con lo que
además, el aceite de retorno del cilindro tiene
una presión menor.
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Regulación del caudal de entrada.
El cilindro de doble efecto se acciona con una
válvula 4/3 de accionamiento manual en el avance
y NC. La regulación del caudal se consigue con la
válvula limitadora de presión, colocada a la
salida del cilindro.
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Regulación de presión.
Al controlar la válvula distribuidora 4/3 con
accionamiento mecánico NC, el aceite que no puede
circular a través del antirretorno es obligado a
través de la válvula reguladora de presión, con
lo que se garantiza un nivel de presión constante
en el avance del cilindro. En la carrera
contraria del cilindro (retroceso), el aceite de
la cámara del lado del émbolo pasa por la válvula
antirretorno.