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Manual de Contenido del Participante

Hidráulica Básica

Este documento ha sido firmado electrónicamente en su versión en español. Nota Importante (para documentos impresos desde Intranet): este documento impreso puede no ser válido a menos que la copia evidencie ser controlada. Si la copia no es controlada y usted no recibe avisos de cambios en forma sistemática, por favor verificar la última versión aplicable ingresada en el LMS antes de su implementación.

TX-TMP-0001 ESPAÑOL

2 / 135

Propósito y Objetivos de este Manual

Este manual tiene como propósito familiarizar a los colaboradores de Ternium con las bases de la Hidráulica, sus usos y aplicaciones en el lugar de trabajo, brindando información y proponiendo actividades que permitan un mayor conocimiento de sus principios. Al finalizar la capacitación Ud. estará en condiciones de:

Definir los conceptos fundamentales implicados en la Hidrodinámica y la Hidrostática; tales como hidráulica, fluidos, fuerza, masa, peso y densidad.

Describir los conceptos y características de presión y viscosidad.

Describir los principios generales de operación de la Hidráulica.

Explicar el funcionamiento general de los diferentes elementos hidráulicos, tales como motores, bombas, cilindros, válvulas y otros.

Es importante comprender las consecuencias que el desconocimiento de los conceptos y principios explicados en este manual puede ocasionar en la seguridad y calidad del producto final.

3 / 135

Cómo Utilizar este Manual

Este manual le muestra cuáles son los conceptos fundamentales y principios básicos de la Hidráulica.

CAPÍTULO 1 Conceptos Fundamentales

5

CAPÍTULO 8 Tuberías y Conexiones

75

CAPÍTULO 2 Presión

18

CAPÍTULO 9 Válvulas

85

CAPÍTULO 3 Viscosidad

26

CAPÍTULO 10 Accesorios

92

CAPÍTULO 4 36 Principios de la Hidráulica

CAPÍTULO 11 102 Propiedades de los Fluidos Hidráulicos

CAPÍTULO 5 59 Transmisión de la Potencia Hidráulica

CAPÍTULO 12 118 Ventajas Y Desventajas de la Hidráulica

CAPÍTULO 6 Motores y Bombas Hidráulicos

62

CAPÍTULO 13 125 Simbología en el Sistema Hidráulico

CAPÍTULO 7 Cilindros Hidráulicos

71

Cómo Utilizar este Manual

4 / 135

El manual contiene pequeñas figuras que se repiten en todos los capítulos y que son una forma de organización de la información para hacer más fácil y dinámica la lectura. Estas figuras se denominan íconos. A continuación hay una descripción de la utilización de cada ícono, es decir en qué oportunidad aparecen:

GLOSARIO

RECUERDE

ANEXO

Explica términos y siglas.

Refuerza un concepto ya mencionado en el texto del manual.

Profundiza conceptos.

MANTENIMIENTO

PREGUNTAS

ATENCIÓN

Resalta procedimientos necesarios de mantenimiento.

Presenta preguntas disparadoras.

Destaca conceptos importantes.

EJEMPLO

ACTIVIDAD

EXAMEN FINAL

Ilustra con situaciones reales los temas tratados.

Señala el comienzo de un ejercicio que le permitirá reforzar lo aprendido.

Señala el comienzo de la evaluación final.

FIN DE CAPÍTULO

FIN DE MANUAL

Señala la finalización del capítulo.

Señala la finalización del manual.

1

Generalidades Hidráulicas

Conceptos Fundamentales TEMAS DEL CAPÍTULO 1 1.1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7

En este capítulo se define la Hidrodinámica y la Hidrostática, y los conceptos fundamentales implicados en ambas ciencias.

Hidráulica Hidrodinámica Hidrostática Fluidos Fuerza Masa Peso Densidad

6 8 9 11 13 14 15 16

6 / 135

Introducción

1.1 Hidráulica

¿QUÉ ES LA HIDRÁULICA? La Hidráulica es la ciencia que estudia la transmisión de fuerza y movimiento a través de un medio líquido. Abarca cualquier estudio de fluido en movimiento.

¿EN QUÉ SE APLICA? La potencia hidráulica se usa prácticamente en cada rama de la industria: máquinas, herramientas, en el automóvil, en un tractor, un aeroplano, un proyectil, un satélite artificial, un bote, etc.

¿POR QUÉ? La razón de este uso tan difundido es que el fluido es una de las formas más versátiles de transmitir potencia y modificar movimientos.

ATENCIÓN

En este manual se pueden presentar características generales de elementos, fluidos o sistemas; sin embargo, al momento de aplicarlos, se deben tomar en cuenta las especificaciones y aplicaciones recomendadas por Ingeniería, y por el fabricante y aplicar las reglas de seguridad.

7 / 135

1. Conceptos Fundamentales

ACTIVIDAD En el comienzo de este Manual, introdujimos el concepto de Hidráulica y la razón de su importancia actual. La siguiente actividad tiene como objetivo comenzar a familiarizarnos con el aspecto físico de los sistemas hidráulicos. Indique cuál de las siguientes figuras constituyen ejemplos de Hidráulica.

1

3

4 2

5

8 / 135

1. Conceptos Fundamentales

1.2

Hidrodinámica

¿Qué estudia la Hidrodinámica? La Hidrodinámica estudia la mecánica de los fluidos en movimiento.

Una rueda de agua o turbina representa un aparato hidrodinámico, en este caso la energía es transmitida por el impacto del fluido sobre los alabes de la turbina, el cual genera el movimiento de la turbina.

GLOSARIO

RECUERDE

FLUIDOS

La Hidrodinámica es una de las formas de generación de energía más sustentables.

Son sustancias líquidas o gaseosas. ALABES

Son perfiles aerodinámicos que reciben el fluido y lo hacen cambiar de velocidad y presión, absorbiendo así la energía. Van sujetos al eje, formando las llamadas ruedas. ENERGÍA

Es la habilidad o capacidad para hacer un trabajo. Se mide en unidades de trabajo.

1. Conceptos Fundamentales

1.3

9 / 135

Hidrostática

¿Qué estudia la Hidrostática? La hidrostática estudia la mecánica de los fluidos en reposo.

En un aparato hidrostático, como el de la figura, la fuerza es transmitida a todo el recipiente al empujar el vástago. El líquido debe moverse o fluir para provocar movimiento, pero el movimiento es proporcional a la fuerza producida.

¿Para qué sirve? La hidrostática está presente en muchas de las cosas que utilizamos diariamente, como los amortiguadores de nuestro automóvil, los circuitos de frenos, el sillón regulable de la oficina, la puerta que cierra automáticamente. Arquímedes y Pascal fueron los precursores de esta ciencia y establecieron principios que se aplican desde los usos más simples hasta las modernas naves espaciales.

GLOSARIO

PISTÓN O ÉMBOLO Es una parte de forma cilíndrica, la cual se ajusta dentro de un cilindro, y transmite o recibe movimiento por medio de un vástago conector. VÁSTAGO

Barra sujeta al centro de una de las dos caras del émbolo o pistón, que sirve para darle movimiento o transmitir el suyo a algún mecanismo.

10 / 135

1. Conceptos Fundamentales

ACTIVIDAD La siguiente actividad le permitirá repasar los conceptos de hidrodinámica e hidrostática, y sus principales diferencias.

Complete correctamente las oraciones.

1

A) ENERGÍA

B) FUERZA

C) HIDRODINÁMICO

D) HIDROSTÁTICO

E) AERODINÁMICA

F) LA HIDRODINÁMICA

G) EN REPOSO

H) MOVIMIENTO

La mecánica de los fluidos en estudiada por

2

3

.

La hidrostática estudia la mecánica de los fluidos

En un aparato

a la

4

es

En un aparato

, el movimiento es proporcional

producida.

, la

es transmitida por el impacto del fluido sobre los alabes de la turbina.

.

11 / 135

1. Conceptos Fundamentales

1.3

Fluidos

Todas las sustancias que existen en la naturaleza se dividen en sólidas, líquidas y gaseosas .

SÓLIDO

GAS

LÍQUIDO

¿Qué son los fluidos? Se consideran fluidos las sustancias líquidas y gaseosas, las cuales tienen propiedades fundamentales que las diferencian de las sustancias sólidas.

LÍQUIDO FLUIDO

GAS SÓLIDO

PARA PENSAR

¿Sabía que los fluidos tienen la capacidad para ser conducidos atravesando cualquier conducto sin importar su forma?

12 / 135

1. Conceptos Fundamentales

¿CÓMO SE DIFERENCIAN LOS FLUIDOS?

LÍQUIDO

ƒ Los líquidos mantienen un volumen constante ƒ Un líquido se puede considerar incompresible

GAS

ƒ Los gases ocupan todo el volumen del recipiente que los contiene.

ƒ El gas es muy compresible.

EJEMPLO

Un ejemplo de fluido al que hacemos cambiar de estado es el agua al ponerla a hervir. El vapor que se desprende es el cambio de un estado al otro. Si ese vapor fuera comprimido en un tubo a alta presión podría llegar a ocupar menos espacio que en el estado líquido anterior ya que en estado gaseoso se torna compresible. El gas licuado es otro ejemplo de fluido.

13 / 135

1. Conceptos Fundamentales

1.4

Fuerza (F)

¿Qué es la fuerza? La fuerza es un empuje ejercido sobre un objeto para cambiarlo de posición o movimiento. Lo anterior incluye el arranque, el paro y el cambio de velocidad o dirección del movimiento.

UNIDADES DE MEDIDA NEWTON

N

KILOGRAMO FUERZA O

Kgf

KILOPONDIO

lbf

LIBRA FUERZA

¿Cómo se calcula la fuerza? La fuerza se calcula mediante la siguiente fórmula:

Fórmula

Fuerza (F)

= Presión (P) X Área (A)

¿Cómo se aplica la fórmula? A continuación vemos un ejemplo de cómo se calcula la fuerza que debe aplicarse a un área de 2 m² para que soporte una presión de 2000kPa.

Presión (P) Área (A) Aplicación

=

=

2000KPa

2 m2

= PXA F = 2000 Kpa X 2 m2 F = 4000 N F

14 / 135

1. Conceptos Fundamentales

1.5

Masa (m)

¿Qué es la masa? Todos los objetos o sustancias tienen masa. Ésta representa la cantidad de materia en un objeto. La masa de un objeto determina su peso en la tierra o en cualquier otro campo gravitatorio, algunas de sus unidades son los Kg, g, lb, entre otras. La inercia de un objeto determina la cantidad de fuerza que se requiere para levantarlo, moverlo, o cambiar su velocidad de dirección o movimiento.

UNIDADES DE MEDIDA KILOGRAMO

Kg

LIBRA

lb

¿Cómo se calcula la masa? La masa se calcula mediante la siguiente fórmula:

Fórmula

Masa (m)

=

Peso (w)

/

Gravedad (g)

¿Cómo se aplica la fórmula? A continuación vemos un ejemplo de cómo se calcula la masa de un ladrillo que tiene un peso de 20 N y la aceleración de la gravedad es de 9.8 m/s2.

Peso (w) Aplicación

=

20 N

Gravedad (g)

= m= m= m

w/g 20 N

/

=

9.8 m/s2

9.8 m/s2

2.04 Kg

15 / 135

1. Conceptos Fundamentales

Peso (w)

1.6

¿Cómo se determina el peso? El peso de un objeto se define como su masa multiplicada por la aceleración de la gravedad y puede estar expresado en N, lb, entre otras.

UNIDADES DE MEDIDA NEWTON

N

KILOGRAMO FUERZA

Kg

LIBRA FUERZA

lb

f

f

¿Cómo se calcula el peso? El peso se calcula mediante la siguiente fórmula:

Fórmula

Peso (w)

=

Masa (m) X Gravedad (g)

Aclaración g

Aceleración de la gravedad (9.8 m/s², 32.2 pie/s², son los valores más usuales)

¿Cómo se aplica la fórmula? A continuación vemos el ejemplo de una persona que tiene una masa de 78 Kg y la aceleración de la gravedad es de 9.8 m/s2.

Masa (m) Aplicación

=

Gravedad (g)

78 Kg

=

9.8 m/s2

= mXg w = 78 Kg X 9.8 m/s2 w = 764.4 N w

16 / 135

1. Conceptos Fundamentales

1.7

Densidad (ρ)

¿Cómo se determina la densidad? La densidad de un material o un objeto es su masa dividida por la unidad de volumen. Aclaración

Volumen (V)

Algunas de sus unidades usuales son m³, litros, entre otros.

UNIDADES DE MEDIDA KILOGRAMO POR METRO CÚBICO

Kg/m³

GRAMO POR CENTÍMETRO CÚBICO

gr/cm³

LIBRA POR PIE CÚBICO

lb/pie³

KILOGRAMO POR PULGADA CÚBICA

Kg/in3

¿Cómo se calcula la densidad? La densidad se calcula mediante la siguiente fórmula:

Fórmula

Densidad (ρ)

=

Masa (m)

/

Volumen (v)

¿Cómo se aplica la fórmula? A continuación vemos un ejemplo de aceite que tiene una masa de 2.268 gr y ocupa un volumen de 1.230 cm3.

Masa (m) Aplicación

=

Volumen (v)

= ρ= ρ= ρ

m

/

2.268 gr

=

1.230 cm3

v

2.268 gr

/

1.230 cm3

1.84 gr/cm3

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1. Conceptos Fundamentales

ACTIVIDAD Las actividades propuestas a continuación le servirán para reforzar los conceptos de masa, fuerza y densidad, y sus respectivas fórmulas.

Indique las afirmaciones correctas.

1

La masa representa la cantidad de materia en un objeto.

2

La fuerza es un empuje sobre un objeto para cambiarlo de posición o movimiento.

3

La densidad de un objeto o material es su masa dividida por su unidad de peso.

Complete las fórmulas utilizando unidades del siguiente cuadro, e indique en las líneas de puntos a qué concepto fundamental de la Hidráulica corresponde cada fórmula.

m

A

lb

W

F

cm

ρ

g

Kg

Gr

F = P x __ __ = mg

ρ = __ / v

s m = w / __

V

P

¡Felicitaciones! Usted ha finalizado el capítulo 1. A continuación se desarrollará el capítulo Presión.

2

Generalidades Hidráulicas

Presión TEMAS DEL CAPÍTULO 2 2 Presión 2.1 Origen de la presión 2.2 Tipos de presión Presión absoluta Presión relativa (manométrica) Presión atmosférica 2.3 Medición de un vacío

La presión es un factor fundamental en un sistema hidráulico. Su origen, definición, tipos y formas de calcularla, son los temas centrales de este capítulo.

19 21 23

25

19 / 135

2. Presión

2

Presión (P)

¿Qué es la presión? Cuando sobre una superficie (área) se ejerce una fuerza el resultado obtenido es una presión. En la figura se ilustra el concepto de presión.

Se puede decir que presión es una tendencia a la expansión (o resistencia a la compresión) que se presenta en un fluido que está siendo comprimido.

¿Cómo se calcula la presión ? La presión se calcula mediante la siguiente fórmula:

Fórmula

Presión (P)

=

Fuerza (F)

/ Área (A)

UNIDADES DE MEDIDA DE PRESIÓN

¿Cómo se aplica la fórmula ?

Pascal (N/m2)

Psi (lb/in²)

A continuación se calcula la presión ejercida por un cuerpo de 400 N al descansar sobre una área de 0.4 m².

mm Hg (milímetros de mercurio)

Pies de columna de agua Fuerza (F)

Atm (Atmósfera)

Kgf/m²

lbf/pie²

bar

Área (A) Aplicación

= P= P= P

=

=

400 N

0.4 m2

F/A 400 N / 0.4 m2 1000 Pa

20 / 135

2. Presión

¿Cómo se determina la presión? En un sistema hidráulico en movimiento la presión viene dada por la resistencia al flujo.

Para ilustrar mejor este principio, considere el flujo dado por la bomba hidráulica de la figura. La bomba está produciendo flujo, no presión. Sin embargo, la presión resultará de la restricción de dicho flujo.

Un dispositivo hidráulico que utiliza el impacto o energía cinética del líquido para transmitir potencia, se denomina dispositivo hidrodinámico y cuando el dispositivo se opera mediante la fuerza aplicada a un líquido confinado, se lo denomina dispositivo hidrostático; en este caso, la presión resulta ser la fuerza aplicada, distribuida en toda el área libre y se expresa como fuerza entre unidad de área.

GLOSARIO CONFINAR

Recluir dentro de límites.

Como se mencionó con anterioridad, la presión es la cantidad de fuerza (la fuerza F se puede medir, ya sea en N o lb f, etc.), ejercida sobre un objeto, dividida por el área en la cual se está ejerciendo la fuerza (el área “A” se mide, ya sea en m², in², cm², etc.).

ATENCIÓN

La ciencia de la Hidráulica abarca a cualquier dispositivo accionado mediante algún líquido (aceite, agua, etc.). Una rueda de agua o turbina de agua, por ejemplo, es un dispositivo hidráulico. Sin embargo, el significado de Hidráulica se ha ampliado a cubrir la conducta física de todos los líquidos, incluso los aceites que se usan en los sistemas hidráulicos modernos.

21 / 135

2. Presión

2.1

Origen de la Presión

¿Cómo se genera la presión?

¿La presión es siempre igual?

La presión se origina siempre que existe una resistencia al flujo de un fluido o a una fuerza que trata de hacer fluir al fluido.

En una masa de agua la presión aumenta con la profundidad. La presión es siempre la misma a una profundidad determinada, debido al peso del agua que hay arriba de ese nivel.

La tendencia a originar flujo (o el empuje) puede ser suministrado por una bomba mecánica o simplemente por el peso propio del fluido.

Un sabio llamado Torricelli demostró que si se abre un orificio en la parte inferior de un depósito de agua, ésta sale con mayor velocidad cuando el depósito está lleno y disminuye la cantidad de agua al ir decreciendo el nivel de la misma. En otras palabras, a medida que disminuye el “potencial” del agua por arriba del orificio, decrece también la presión.

¿QUÉ MEDIDA EXPRESÓ TORRICELLI?

Torricelli sólo pudo expresar la presión de la parte inferior del depósito como “pies de potencial”, es decir, como la altura en pies de la columna de agua.

¿QUÉ ES POSIBLE MEDIR HOY? Actualmente, al contar con la libra por pulgada cuadrada (psi o kg/cm²) como unidad de presión, podemos expresar la presión de ésta en cualquier parte de un líquido o gas, en términos más convenientes. Lo único que se requiere es conocer el peso de un pie cúbico del fluido.

22 / 135

2. Presión

EJEMPLO

En un sistema hidrodinámico la presión viene dada por la resistencia al flujo.

En un sistema hidrostático la presión es la fuerza aplicada a un líquido confinado.

ACTIVIDAD Reforzar el concepto de presión y su fórmula es el objetivo de las siguientes actividades.

Determine si las afirmaciones son verdaderas o falsas.

1

Cuando se ejerce una fuerza sobre un área el resultado es una presión.

2

La presión disminuye con la profundidad.

3

El empuje puede ser ejercido por el peso del fluido.

Indique la fórmula correcta de presión .

P

=

A

/

F

P

=

F

/

A

P

=

A X F

ρ

=

m

/

v

23 / 135

2. Presión

2.2

Tipos de Presión

LA PRESIÓN ABSOLUTA

Resulta de tomar como presión de referencia (el cero de la escala) al vacío absoluto. Es decir que la presión relativa o manométrica será aquella medida sobre la presión atmosférica y presión absoluta es aquella medida sobre el cero absoluto (vacío absoluto). Las presiones absolutas son poco usadas en la práctica, por lo tanto hablamos comúnmente de presiones manométricas o relativas.

Fórmula

P absoluta

= P manométrica + P atmosférica

LA PRESIÓN RELATIVA (MANOMÉTRICA)

Resulta de tomar como presión de referencia (cero de escala) la presión absoluta atmosférica. Es la presión que indican los manómetros comunes y la empleada para el cálculo de fuerza de los cilindros o actuadores.

24 / 135

2. Presión

LA PRESIÓN ATMOSFÉRICA

La presión atmosférica es la que ejerce el aire de nuestra atmósfera debido a su propio peso. El barómetro de mercurio, inventado por Torricelli, se considera generalmente como el punto de partida e inspiración de los estudios de Pascal sobre la presión. La presión disminuye arriba del nivel del mar y aumenta abajo del nivel del mar. En una atmósfera normal, la columna será siempre de 29.92 pulgadas (75.99 cm.) de altura. Así pues, 29.92 pulgadas de mercurio es igual 1 bar. ó 1000 mbar es otro de los equivalentes de la presión de una atmósfera.

UNIDADES DE MEDIDA DE PRESIÓN ATMOSFÉRICA AL NIVEL DEL MAR 14.7 lbf/in² (psi) 29.92 in de mercurio (in Hg)

1.033 Kgf/cm² 10.330 metros de columna de agua 1 atm

760 mm de mercurio (mm Hg)

GLOSARIO

PARA PENSAR

ATMOSFERA

¿ Sabía que la presión atmosférica se mide mediante un dispositivo denominado barómetro?

Es una medida de presión igual a 14.7 psi (1.01 bar).

25 / 135

2. Presión

2.3

Medición de un Vacío

¿Cómo se mide la presión de un vacío?

RECUERDE

Puesto que un vacío es una presión inferior a la atmosférica, se puede medir en las mismas unidades.

El vacío empieza cuando la escala marca cero.

Es decir que se puede expresar en psi (psi absolutas), en bar, en milibar, en psi (con unidades negativas), así como en pulgadas de mercurio. Sin embargo, la mayor parte de los medidores de vacío están calibrados en pulgadas de mercurio.

Indique a qué clase de presión corresponden las siguientes características (absoluta, relativa o atmosférica).

ACTIVIDAD

1

La presión

es empleada para el cálculo de fuerza de los cilindros o actuadores.

2

La presión

es la que ejerce el área de la atmósfera debido a su propio peso.

3

La presión

resulta de tomar como presión de referencia al vacío absoluto.

¡Felicitaciones! Usted ha finalizado el capítulo 2. A continuación se desarrollará el capítulo Viscosidad.

3

Generalidades Hidráulicas

Viscosidad TEMAS DEL CAPÍTULO 3 3 Viscosidad 3.1 Índice de viscosidad 3.2 Importancia de la viscosidad 3.3 Métodos para definir la viscosidad 3.3.1 Viscosidad absoluta 3.3.2 Viscosidad cinemática 3.3.3 Viscosidad SSU

En este capítulo se define la viscosidad como característica central de los fluidos y su importancia para el adecuado funcionamiento de un sistema hidráulico. Además se describen las diferentes formas de medirla.

27 28 29 30 31 32 34

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3. Viscosidad

3

Viscosidad

¿Qué es la viscosidad? La viscosidad es la medida de resistencia de un fluido que fluye, es decir, la medida inversa de su fluidez.

En la siguientes imágenes se muestran dos ejemplos de viscosidades diferentes: la miel con una viscosidad más fuerte comparada con el agua, que tiene menor viscosidad.

Si un líquido fluye con facilidad, su viscosidad es baja, o se puede decir también que el fluido es delgado o que tiene poco cuerpo.

En cambio, un líquido que fluye con dificultad posee una alta viscosidad, es decir que es grueso o de mucho cuerpo.

ATENCIÓN

RECUERDE

La viscosidad es afectada por la temperatura. Mientras la temperatura de un fluido hidráulico aumenta, su viscosidad o resistencia a fluir disminuye.

La viscosidad es una medida de la resistencia del fluido a fluir. Un fluido espeso tiene más resistencia a fluir y una más alta viscosidad.

Enumere los siguientes fluidos de menor a mayor viscosidad.

ACTIVIDAD

Agua

Agua hirviendo

Aceite

Aceite refrigerado

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3. Viscosidad

3.1

Índice de Viscosidad

¿Qué es el índice de viscosidad? El índice de viscosidad es una medida arbitraria de resistencia del fluido al cambio de viscosidad con los cambios de la temperatura: ƒ Se dice que un fluido posee un alto índice de viscosidad (VI), cuando presenta viscosidad relativamente estable a temperaturas extremas.

EJEMPLO

A continuación, se observa un ejemplo de la viscosidad de un fluido siendo afectada por la temperatura.

Marque con una X en el casillero que corresponda el índice de viscosidad de los siguientes fluidos.

ACTIVIDAD

ƒ Un fluido que se espesa mucho al enfriarse y se adelgaza en extremo al calentarse, tiene un bajo VI.

29 / 135

3. Viscosidad

Importancia de la Viscosidad

3.2

¿Por qué es importante la viscosidad? Para cualquier máquina hidráulica, la viscosidad que realmente debe tener un fluido es un aspecto muy importante. La alta viscosidad es deseable para mantener un sellamiento entre las superficies que encajan entre sí. Sin embargo, si la viscosidad es demasiado alta aumenta la fricción, lo cual da como resultado:

RECUERDE

Alta resistencia al fluido.

Aumento en el consumo de potencia, debido a las pérdidas por fricción.

Alta temperatura, originada por la fricción.

Aumento en la caída de presión, debido a la resistencia.

Una viscosidad sólo lo necesariamente alta es de suma importancia para el correcto funcionamiento de una máquina hidráulica, evitando desgastes en la máquina o deficiencias en su operación.

El riesgo de una operación lenta.

Dificultad para separar el aire del aceite en el depósito.

Señale si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas.

ACTIVIDAD

1

Una viscosidad demasiado alta en un fluido permite una operación más veloz.

2

La viscosidad demasiado baja dificulta el sellamiento de las superficies que encajan entre sí.

3

A medida que aumenta la viscosidad crece la resistencia a fluir del fluido.

30 / 135

3. Viscosidad

3.3

Métodos para definir la Viscosidad

¿Cómo se define la viscosidad? Algunos de los métodos para definir la viscosidad, en orden decreciente de exactitud, son los siguientes:

Viscosidad absoluta (en poises).

Viscosidad cinemática (en centistokes).

Viscosidad relativa en Segundos Saybolt Universales (SSU).

Números S.A.E: Es un sistema de clasificación de los lubricantes según su grado de viscosidad.

PARA PENSAR

¿Sabía que en Estados Unidos, los requisitos de viscosidad del fluido hidráulico se especifican en SSU?.

31 / 135

3. Viscosidad

3.3.1 Viscosidad Absoluta ¿Qué mide la viscosidad absoluta? El método de laboratorio para medir la viscosidad absoluta se basa en considerarla como la resistencia que ofrece un fluido, cuando se mueve una capa de líquido desplazándola sobre otra capa del mismo fluido.

¿Cómo se expresa la viscosidad absoluta? La viscosidad absoluta se define como la fuerza que se requiere por unidad de área para mover una superficie paralela a una velocidad de 1 cm./s (0.032 ft/s), sobre otra superficie paralela, separada por una película de fluido de 1 cm. (0.393 in) de espesor. En el sistema métrico, la fuerza se expresa en dinas y el área en centímetros cuadrados.

Fórmula

Viscosidad absoluta

= Viscosidad cinemática x Densidad (ρ)

¿Cuál es su unidad de medida? La unidad de viscosidad absoluta es el poise, el cual es comúnmente utilizado como centipoise, donde se tiene que:

UNIDADES DE MEDIDA DE VISCOSIDAD ABSOLUTA 100 Centipoises = 1 Poise

ATENCIÓN

La viscosidad absoluta es la mejor forma de expresar la viscosidad de un fluido.

32 / 135

3. Viscosidad

3.3.2 Viscosidad Cinemática ¿Qué es la viscosidad cinemática? El concepto de viscosidad cinemática ha surgido del uso del potencial de un líquido para producir un flujo a través de un tubo capilar (tubo de pequeño diámetro).

¿Cómo se determina? Al dividir el coeficiente de viscosidad absoluta por la densidad de un líquido, se obtiene lo que se denomina viscosidad cinemática. A continuación, se muestra la conversión entre viscosidad absoluta y cinemática:

Fórmula

Viscosidad cinemática

= Viscosidad absoluta /

Densidad (ρ)

¿Cuál es su unidad de medida? En el sistema métrico, la unidad de viscosidad cinemática se llama Stoke y equivale a las unidades de centímetros cuadrados por segundo (cm2/s). A la centésima parte de un Stoke se le llama centistoke.

UNIDAD DE MEDIDA DE VISCOSIDAD CINEMÁTICA 1 stoke = 1 cm²/s

33 / 135

3. Viscosidad

ACTIVIDAD

A lo largo de este capítulo, se fundamentó la importancia de la viscosidad de un fluido para el adecuado funcionamiento de un sistema hidráulico. El objetivo de las siguientes actividades es repasar los métodos utilizados para medirla. Señale a qué tipo de Viscosidad corresponden las siguientes unidades de medida y/o fórmulas.

Viscosidad Absoluta

Viscosidad Cinemática

Poise Centistokes Viscosidad Cinemática X Densidad Centipoises Viscosidad Absoluta / Densidad Stoke

Unir con flechas las equivalencias de unidades de medida de la viscosidad cinemática que correspondan.

3 cm2/s

400 centipoises

700 centipoises

7 poises

1 m3

200 centistokes

2 stoke

0.0003 m2/s

4 poises

1 poise

0.300 in

3 m2

3. Viscosidad

34 / 135

3.3.3 Viscosidad SSU ¿Qué es la velocidad relativa SSU? Para la mayor parte de los fines prácticos, bastará conocer la viscosidad relativa de un fluido. La viscosidad relativa SSU se determina midiendo el tiempo que tarda en fluir una cantidad específica del fluido a través de un orificio de dimensiones también específicas, a una temperatura establecida.

ATENCIÓN

Para las aplicaciones industriales, las viscosidades del aceite hidráulico generalmente se encuentran alrededor de 150 SSU a 100 °F (65.55 a 37.77 °C). Como norma general, la viscosidad nunca deberá ser menor a 45 SSU ni mayor a 4000 SSU, sin importar cual sea la temperatura. Cuando existan temperaturas extremas, el fluido debe tener un alto índice de viscosidad, el cual puede ser encontrado en tablas.

RECUERDE

Un líquido espeso fluirá lentamente y la viscosidad en SSU será más alta que para uno delgado, que fluirá con mayor rapidez.

35 / 135

3. Viscosidad

¿CÓMO SE MIDE LA VISCOSIDAD ? Se utilizan diversos métodos e instrumentos para medir la viscosidad, por ejemplo el viscosímetro Saybolt, el cual se muestra en la figura. El tiempo que tarda la cantidad medida de líquido en fluir por el orificio, se determina mediante un cronómetro. La viscosidad en Segundos Saybolt Universales (SSU) es igual al tiempo en segundos que transcurre en la operación.

PARA PENSAR

¿Sabía que, dado que el aceite se espesa a bajas temperaturas y se adelgaza al calentarse, la viscosidad se debe expresar como un determinado número de SSU a una temperatura especifica? Las pruebas se realizan generalmente a 100 °F ó a 210 °F (37.77 ó 98.88 °C).

¡Felicitaciones! Usted ha finalizado el capítulo 3. A continuación se desarrollará el capítulo Principios de la Hidráulica.

4

Generalidades Hidráulicas

Principios de la Hidráulica TEMAS DEL CAPÍTULO 4 4.1 4.2 4.3 4.4

Principio de Arquímedes Principio de Pascal Conservación de la energía Principios de flujo 4.4.1 Principio de continuidad 4.4.2 Cálculo del área de un pistón 4.4.3 Flujo laminar y turbulento 4.4.4 El flujo y la caída de presión 4.4.5 Mantenimiento del nivel de un fluido 4.5 Principio de Bernoulli 4.6 Elementos de un sistema hidráulico

Los principios generales de operación de la Hidráulica, los principios que caracterizan el flujo, y la definición de los elementos centrales de un sistema hidráulico, son los temas principales abordados en este capítulo.

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4. Principios de la Hidráulica

4.1

37 / 135

Principio de Arquímedes

¿Qué establece el Principio de Arquímedes? Los cuerpos sólidos sumergidos en un líquido experimentan un empuje hacia arriba. Este fenómeno, que es el fundamento de la flotación de los barcos, era conocido desde la más remota antigüedad, pero fue el griego Arquímedes (287 - 212 a. de C.) quien indicó cuál es la magnitud de dicho empuje. De acuerdo con el principio que lleva su nombre, todo cuerpo sumergido total o parcialmente en un líquido, experimenta un empuje vertical y hacia arriba igual al peso del volumen de líquido desalojado.

En la figura se muestra como opera en la práctica el principio de Arquímedes en el caso de un bloque de aluminio y uno de madera.

PARA PENSAR

¿Sabía que cuando Arquímedes resolvió el problema que dio origen a la formulación de su famoso principio, acababa de ingresar a darse un baño, y fue tal su excitación que saltó de la bañera y se lanzó por las calles de Siracusa al grito de ¡Eureka! ¡Eureka! (¡Lo encontré! ¡Lo encontré!).

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4. Principios de la Hidráulica

4.2

Principio de Pascal ¿QUÉ ESTABLECE LA LEY DE PASCAL?

La Ley de Pascal, enunciada sencillamente dice: la presión aplicada a un fluido confinado (cerrado) se transmite íntegramente en todas las direcciones y ejerce fuerzas iguales sobre áreas iguales, actuando estas fuerzas normalmente sobre las paredes del recipiente. Esta ley forma las bases para entender la relación entre fuerza, presión y área.

¿Cómo se expresa la Ley de Pascal? Matemáticamente, esta relación se expresa como: Fuerza es igual a la presión por el área; la presión es igual a la fuerza dividida por el área; y el área puede ser calculada dividiendo fuerza en presión.

Fuerza

Presión

Área

=

= =

Presión

x Área

Fuerza

/ Área

Fuerza

/

Presión

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4. Principios de la Hidráulica

¿Cómo nació la prensa hidráulica? En los primeros años de la Revolución Industrial, un mecánico británico llamado Joseph Bramah utilizó el descubrimiento de Pascal para desarrollar una prensa hidráulica. Bramah pensó que si una pequeña fuerza, actuando sobre un área pequeña, crea una fuerza proporcionalmente más grande sobre un área mayor, el único límite a la fuerza que puede ejercer una máquina es el área a la cual se aplica la presión.

¿CÓMO SE APLICA LA LEY DE PASCAL? En la figura se muestra como Bramah aplicó el principio de Pascal en una prensa hidráulica. Se puede ver fácilmente que las fuerzas de los pesos que lo balancearán con este aparato son proporcionales a las áreas del pistón.

Fórmula 1

Fórmula 2

P1 = F1 = 10Lb (4.53 Kg)

= 10 Psi (0.70Kg/cm2)

A1 1in2(6.45 cm2) P2 = F2 = 100Lb (4.53 Kg)

= 10 Psi (0.70Kg/cm2)

A2 10in2(64.51 cm2)

ATENCIÓN

Una aplicación de la prensa que construyó Bramah es el gato hidráulico, que se muestra en la figura.

4. Principios de la Hidráulica

40 / 135

¿Cómo funcionan las prensas hidráulicas y mecánicas? A continuación, podemos observar la similitud que existe entre una prensa hidráulica y una palanca mecánica.

Para poder determinar la fuerza total ejercida en una superficie, es necesario conocer la presión o fuerza en la unidad del área. En la figura se muestra que se necesita que el brazo 1 sea 10 veces más largo que el brazo 2, para conservar en equilibrio el sistema a pesar de las cargas aplicadas.

4.3

Conservación de la Energía

¿Qué es posible hacer con la energía? La Ley fundamental de la física establece que la energía no se puede crear ni destruir, sólo se puede transformar.

¿Cómo opera este principio en la práctica? Un pistón más grande se mueve solamente por el desplazamiento del líquido provocado por un pequeño pistón. La distancia que cada pistón se mueve, es inversamente proporcional a su área Lo que se gana en fuerza, se debe perder en distancia o velocidad (ver figura de la página siguiente).

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4. Principios de la Hidráulica

¿CÓMO SE TRANSFIERE LA ENERGÍA? A continuación se presenta el procedimiento de la transformación de la energía.

1

Aplicando una fuerza de 10 lb (44.48 N) sobre el pistón A con un área de 1 in2 A1 (0. 645 m2) el pistón se desplaza 10 in (0.254 m)

2

De acuerdo con la fuerza y el desplazamiento del pistón pequeño A y como la presión dentro del recipiente debe ser constante, la fuerza de 100 lb (444.8 N) provocarán un desplazamiento en el pistón grande B de 1 in (0.0254 m)

3

La energía transferida aquí es igual a 10 lb x 10 in =100 lb - in (44.48 N x 0.254 m = 11.29 N - m)

4

La energía transferida aquí también es igual a 100 lb x 1 in =100 lb - in (444.8 N x 0.0254 m = 11.29 N - m)

EJEMPLO

La energía sólo se puede cambiar de una forma a otra, como por ejemplo, cuando la energía eléctrica se transforma en energía calorífica a través de un calefactor.

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4. Principios de la Hidráulica

ACTIVIDAD

La siguiente actividad permitirá repasar los principios generales que determinan la operación de cualquier sistema hidráulico y que fueron descriptos en los primeros ítems de este capítulo. Relacione las siguientes afirmaciones con los principios de los cuales se desprenden.

Principio de Arquímedes

1

Una fuerza pequeña, actuando sobre un área pequeña, crea una fuerza proporcionalmente más grande sobre un área mayor.

2

La energía sólo se puede conservar y/o transformar.

3

Todo cuerpo sólido sumergido en un líquido experimenta un empuje hacia arriba.

4

La presión aplicada a un fluido confinado se transmite íntegramente en todas las direcciones y ejerce fuerzas iguales sobre áreas iguales.

5

El empuje vertical y hacia arriba que experimenta cualquier cuerpo sumergido total o parcialmente en un líquido, es igual al peso del volumen de líquido desalojado.

6

La cantidad de energía en un sistema aislado permanece invariable con el tiempo.

Ley de Pascal

Conservación de la Energía

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4. Principios de la Hidráulica

4.4

Principios de Flujo

¿Qué es el flujo? El flujo es la acción del sistema hidráulico que proporciona movimiento al actuador. La fuerza se puede transmitir mediante presión, pero para originar un movimiento es esencial que haya flujo. El flujo del sistema hidráulico se crea mediante la bomba.

¿Cómo se mide el flujo? Existen dos formas de medir el flujo de un fluido:

Gasto o caudal

Velocidad de flujo

¿Qué expresa el gasto o caudal? El gasto o caudal es la medida del volumen del fluido que pasa por un punto en un tiempo determinado. Algunas de las formas en que se puede expresar el gasto o caudal son:

UNIDADES DE MEDIDA cm3/s

GPM Lt/min

GLOSARIO

ACTUADORES

Son aquellos elementos que pueden provocar un efecto sobre un proceso automatizado.

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4. Principios de la Hidráulica

Un flujo constante aumenta o disminuye su velocidad, dependiendo de si la sección de tubería disminuye o aumenta su área.

Fórmula

Gasto o caudal (Q)

= Velocidad (V) x Área (A)

Aclaración

Q

A

xV

de donde obtenemos A

=Q/

V

¿Qué expresa la velocidad? La velocidad es la rapidez promedio de las partículas de un fluido al pasar por un punto determinado, o la distancia promedio que viajan las partículas por unidad de tiempo. Se puede medir, entre otras opciones, en:

Fórmula

V

=

Q

/

A

UNIDADES DE MEDIDA PIES SOBRE SEGUNDO PIES SOBRE MINUTO

(ft/s) (ft/min)

PULGADAS SOBRE SEGUNDO

(in/s)

PULGADAS SOBRE MINUTO

in/min

METROS SOBRE SEGUNDO

(m/s)

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4. Principios de la Hidráulica

4.4.1 Principio de Continuidad ¿Que establece el Principio de Continuidad? El método para calcular la velocidad de flujo de un fluido en un sistema de conductos cerrado, depende del principio de continuidad. La cantidad de fluido que pasa por cualquier sección en un cierto tiempo dado es constante.

En la figura, se muestra cómo un fluido fluye de la sección 1 a la sección 2 con un caudal constante.

La ecuación de continuidad es la siguiente:

Aclaración A1 y A2 = Área en la sección 1 y 2 respectivamente.

A1

x

V1

=

A2

x

V2

V1 y V2 = Velocidad en la sección 1 y 2 respectivamente.

Por lo tanto, el gasto en la sección 1 y en la sección 2 de un conducto cerrado con diferentes dimensiones (considerando condiciones perfectas, o sea que no existen pérdidas) es el mismo. Aclaración

Q1

= Q2

Q1 y Q2 = Gasto en la sección 1 y 2 respectivamente. Como A1 es mayor que A2 (A1 > A2) se demuestra que V2 es mayor que V1 (V2 > V1)

ATENCIÓN Lo descrito anteriormente significa que la velocidad del fluido aumenta a medida que disminuye el área, es decir la Velocidad es inversamente proporcional al área.

46 / 135

4. Principios de la Hidráulica

4.4.2 Cálculo del Área de un Pistón ¿Cómo se calcula el área de un pistón? El área del pistón o de la sección transversal de un tubo puede calcularse con la siguiente fórmula:

Fórmula

A

=

Π

x

D2 / 4

Aclaración

A

Área de la sección transversal del tubo en plg2, m2, cm2, mm2

D

Diámetro interior de la tubería, en in, m, cm, mm

Π

3.14

Di

e

e

Di

De = Diámetro exterior e = Epesor de la pared Di = Diámetro interior

De

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4. Principios de la Hidráulica

EJEMPLO

En el cuadro de la figura se muestra un ejemplo de cómo calcular el gasto o caudal. Se debe calcular el área de cada una de las 2 secciones, para obtener posteriormente el gasto o caudal.

Sección 1: A1= Π x D2 / 4 Sección 1: A1 = (3.14) x [(50 cm)2 / 4] Sección 1: A1 = 1962.5 cm2

Sección 2: A2= Π x D2 / 4 Sección 2: A2 = (3.14) x [(25 cm)2 / 4] Sección 2: A2 = 490.625 cm2

Q = V1 x A1 Q = (2 cm/s) x (1962.5 cm)2 Q = 3.925 cm3/s

Q = V 2 x A2 Q = (8 cm/s) x (490.625 cm)2 Q = 3.925 cm3/s

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4. Principios de la Hidráulica

4.4.3 Flujo Laminar y Turbulento Según las condiciones que atraviesa, el flujo puede caracterizarse como laminar o turbulento:

FLUJO LAMINAR En forma ideal, las partículas de un fluido se desplazan en forma suave y paralela a la dirección del flujo. Cuando esto ocurre se dice que el flujo es laminar y se obtiene a bajas velocidades y en tubería recta. Con el flujo laminar, la fricción se reduce al mínimo.

FLUJO TURBULENTO Existe turbulencia cuando las partículas no se desplazan en forma suave y paralela a la dirección del flujo. El flujo turbulento es originado por cambios abruptos en la dirección o en el área de la sección transversal o por una velocidad excesiva. Esto nos da como resultado un gran aumento en la fricción, que produce calor, aumenta la presión de operación, y desperdicia potencia.

EJEMPLO

El filamento rectilíneo de humo que sale de un cigarrillo expuesto a un ambiente tranquilo, ofrece una imagen clara del flujo laminar. Pero conforme el humo continúa subiendo, se transforma en un movimiento aleatorio, irregular, lo que es un ejemplo de lo opuesto: un flujo turbulento.

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4. Principios de la Hidráulica

4.4.4 El Flujo y la Caída de Presión ¿Qué relación existe entre la fricción y la caída de presión? Siempre que un líquido se encuentra fluyendo, deberá existir alguna condición de desequilibrio de fuerza para causar movimiento. Por lo tanto, cuando un fluido fluye a través de un tubo, la presión será más baja corriente abajo, en relación a la corriente arriba. Esta diferencia de presión o caída de presión es necesaria para vencer la fricción en la línea.

En la siguiente figura se ilustra la caída de la presión debido a la fricción. Las sucesivas caídas de presión (desde la presión máxima, hasta presión cero) se muestran como diferencias de potencial en las sucesivas tuberías verticales.

1

2

La presión es máxima aquí, por el peso de la potencia del líquido.

La presión es cero aquí, porque el flujo fluye sin restricción.

3

4

La fricción en la tubería, baja la presión de máximo a cero.

Bajo nivel de líquido sucesivamente en estas tuberías es una medida de reducir presión en los puntos de corriente debajo del suministro.

GLOSARIO

RECUERDE

CAIDA DE PRESIÓN

Sólo un desequilibrio de fuerza puede ocasionar un movimiento en un líquido fluyendo.

Es una diferencia en presión entre cualquiera de dos puntos de un sistema o de un componente.

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4. Principios de la Hidráulica

4.4.5

Mantenimiento del Nivel de un Fluido

¿Qué sucede cuando no hay caída de presión? Contrario a lo enunciado en el ítem anterior:

Cuando no hay diferencia de presión en un líquido, el fluido simplemente trata de mantener un nivel.

1

El líquido está sujeto a presión atmosférica en todos los puntos, de tal modo que está al mismo nivel en todos los puntos.

Si en algún punto cambia la presión, los niveles del líquido en los demás puntos se elevan, pero sólo hasta la altura en que su peso es el suficiente como para hacer la diferencia de presión.

2 3

Aumento de presión.

El resultado del aumento de presión es un mayor nivel en estos puntos.

Se puede observar entonces que para que un líquido ascienda por una tubería, es necesaria una diferencia de presión, ya que habrá que vencer la fuerza que ejerce el peso del fluido. Naturalmente en el diseño del circuito, la presión que se requiere para desplazar la masa de aceite y para vencer la fricción, debe ser agregada a la presión necesaria para mover la carga.

ATENCIÓN

GLOSARIO

En la mayoría de las aplicaciones, un buen diseño reduce al mínimo estas “caídas” de presión, hasta el punto de hacerlas casi despreciables.

CIRCUITO

Es un arreglo de componentes interconectados para desempeñar una función específica dentro de un sistema.

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4. Principios de la Hidráulica

Principio de Bernoulli

4.5

¿Qué formas de energía contiene el fluido hidráulico? El fluido hidráulico de un sistema en operación contiene energía en dos formas:

Energía cinética: Energía que posee un cuerpo en movimiento.

Energía potencial: Energía con respecto a la elevación, es decir, la energía potencial del elemento con respecto a algún nivel de referencia.

¿Cómo se calcula la energía cinética? La energía cinética se calcula mediante la siguiente fórmula:

Fórmula

E cinética

=

½ m V2

Aclaración

m

V

Masa

Velocidad

¿Cómo se calcula la energía potencial? La energía potencial se calcula mediante la siguiente fórmula:

Fórmula

E potencial

=

ρ g h

Aclaración

ρ

Densidad.

g

Gravedad

h

Altura

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4. Principios de la Hidráulica

¿CUÁL ES LA ECUACIÓN DEL PRINCIPIO DE BERNOULLI? Daniel Bernoulli, científico Suizo (1700-1782), demostró que en un sistema con un porcentaje de fluido constante, la energía se transforma de una forma a la otra, cada vez que varía el área de la sección transversal de la tubería. Sin embargo, teniendo en cuenta que la energía no se puede crear ni destruir, sino que sólo se transforma, el cambio en energía cinética se debe compensar mediante una disminución o incremento de la presión.

La ecuación que demuestra el principio de Bernoulli desde el punto de vista cuantitativo, es la siguiente:

P1 + ½ m V12 + ρ g h1 = P2 + ½ m V22 + ρg h2

RECUERDE

En un sistema con un porcentaje de fluido constante, la energía se transforma de una forma a la otra, cada vez que varía el área de la sección transversal de la tubería.

Aclaración P1 y P2 m

Presión en el punto 1 y 2 respectivamente. Masa del fluido.

V1 y V2

Velocidad en el punto 1 y 2 respectivamente.

h1 y h2

Altura relativa entre puntos 1 y 2.

ATENCIÓN

Esta forma de plantear la Ecuación de Bernoulli es considerando que no existen pérdidas de energía en el sistema, como por ejemplo, debido a la fricción y a la viscosidad.

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4. Principios de la Hidráulica

EJEMPLO

A continuación, se muestra el cálculo de la energía cinética de un fluido en la siguiente tubería con un área constante.

Masa (m) = 5 Kg Velocidad (V) = 10 m/s E cinética = ½ m V2 E cinética = ½ (5 Kg) (10 m/s2) E cinética = 250 N-m.

EJEMPLO

A continuación, se muestra el cálculo de la energía potencial de un fluido en el punto A.

Datos: ρ = 15 Kg/m3 g = 9.8 m/s2 h=5m E potencial = ρ g h E potencial = (15 Kg/m3) (9.8 m/s2) (5 m) E potencial = 735 Pa

4. Principios de la Hidráulica

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¿QUÉ ESTABLECE EL PRINCIPIO DE BERNOULLI? El principio de Bernoulli dice que la suma de presión y la energía cinética en varios puntos de un sistema debe ser constante si el flujo es constante. Cuando un fluido fluye a través de áreas de diferentes diámetros deben producirse cambios correspondientes de velocidad.

1 En la sección pequeña de tubería, la velocidad es máxima. Existe más energía en la forma de movimiento, y en consecuencia la presión es más baja.

2 La velocidad disminuye en la tubería grande. La pérdida de energía cinética se recupera al aumentar la presión.

3 Ignorando las pérdidas de fricción, la presión vuelve a ser la misma que en 1, cuando la velocidad del flujo llega a la misma que en 1.

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4. Principios de la Hidráulica

ACTIVIDAD

En los ítems anteriores se describieron tanto los principios de operación del flujo como las diferentes mediciones posibles. A través de la siguiente actividad es posible reforzar dichos conocimientos. Relacione las unidades de medida, con el tipo de medición de flujo al que se refieren. Marcando V para las que corresponden a velocidad y Q para las que corresponden a gasto o caudal.

VELOCIDAD (V)

GASTO O CAUDAL (Q)

Lt/min

Cm3/s

ft/s

in/s

m/s

GPM

ft/min

in/min

Señale si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas.

VERDADERO

1

Para que un líquido ascienda por una tubería, no deben existir diferencias de presión.

2

El cambio en energía cinética se debe compensar mediante una disminución o incremento de la presión.

3

Todo cuerpo sólido sumergido en un líquido experimenta un empuje hacia arriba.

FALSO

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4. Principios de la Hidráulica

4.6

Elementos de un Sistema Hidráulico

¿Qué elementos componen un sistema hidráulico? Hay diferentes tipos de componentes de un sistema hidráulico y todos tienen diferentes formas de funcionamiento. Los mismos se ejemplifican en las páginas siguientes, pero serán descriptos en detalle en capítulos posteriores de este manual.

Bomba Tanque de almacenamiento

Actuadores Línea de transmisión de fluido

Motor

Filtros

Válvula

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4. Principios de la Hidráulica

¿QUÉ ES UNA BOMBA? La bomba es un dispositivo para convertir la fuerza y movimiento mecánico en potencia de fluido hidráulico. Es el elemento encargado de proveer fluido, incrementando su presión al nivel de trabajo del sistema hidráulico.

Existen diferentes tipos de bombas, las cuales se pueden clasificar en:

Bombas de desplazamiento positivo

Bombas de desplazamiento no positivo

¿Qué son los actuadores? Los actuadores son los elementos encargados de transformar la energía hidráulica en energía mecánica lineal y rotatoria. ACTUADORES LINEALES: CILINDROS HIDRÁULICOS

ACTUADORES ROTATORIOS: MOTORES

Los actuadores lineales son generalmente los cilindros hidráulicos. Un cilindro hidráulico es un aparato para convertir energía hidráulica en movimiento lineal. Normalmente consiste en un elemento removible, tal como un pistón, y el vástago operando dentro del cuerpo del cilindro.

Un actuador rotatorio convierte energía hidráulica en movimiento rotatorio. Los motores son generalmente actuadores rotativos. Es decir, un motor es un aparato que convierte la potencia de un fluido hidráulico en fuerza mecánica, y generalmente genera un movimiento mecánico rotatorio.

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4. Principios de la Hidráulica

¿Qué otros elementos complementan un sistema hidráulico? Además de las bombas y los motores, como componentes centrales en todo sistema hidráulico, otros elementos complementarios desarrollan el resto de las funciones requeridas por el sistema.

VÁLVULAS Las válvulas son elementos encargados del control del flujo.

TANQUES DE ALMACENAMIENTO Los tanques son depósitos o resumideros. Son elementos muy importantes en un sistema hidráulico, ya que almacenan el fluido hidráulico que después será enviado al sistema nuevamente por la bomba.

LÍNEAS DE TRANSMISIÓN DE FLUIDO Las mangueras utilizadas en la Hidráulica deben resistir grandes presiones, por lo que deben ser cuidadosamente seleccionadas. Las mangueras flexibles son muy utilizadas en los sistemas hidráulicos, debido a que poseen la capacidad de flexionarse para acomodarse de acuerdo a cómo se presenten las condiciones.

FILTROS Un filtro es un aparato cuya función principal es la retención, por medios porosos, de contaminantes indisolubles del fluido. Los filtros se utilizan entonces para reducir las impurezas en el fluido, de tal forma que éstas no afecten el funcionamiento del sistema.

¡Felicitaciones! Usted ha finalizado el capítulo 4. A continuación se desarrollará el capítulo Transmisión de la Potencia Hidráulica.

5

Generalidades Hidráulicas

Transmisión de la Potencia Hidráulica CAPÍTULO 5

Este capítulo sintetiza el concepto de Hidráulica como medio de transmisión de potencia y resume el funcionamiento de un sistema hidráulico, tanto a través de un actuador lineal, como de un actuador rotatorio.

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5. Transmisión de la Potencia Hidráulica

¿Qué es la potencia hidráulica? Luego de repasar sus generalidades y principios, es posible definir ahora la Hidráulica como un medio de transmitir potencia al empujar un líquido confinado. El componente de empuje de entrada del sistema es una bomba y el de empuje de salida es un actuador.

¿Cómo funciona un sistema hidráulico? En la siguiente figura se muestra un sistema que ha sido simplificado con el fin de graficar el funcionamiento hidráulico: se muestra un pequeño pistón simple, cuando la mayoría de las bombas de potencia dirigida necesitarán muchos pistones, paletas o engranes, según sus elementos de bombeo.

Los actuadores pueden ser lineales, como el cilindro de la figura, o rotatorios, como los motores hidráulicos.

1 La bomba desplaza el líquido hidráulico dentro de las tuberías.

2 Las líneas llevan el líquido a los actuadores, los cuales son desplazados, para causar la salida mecánica para mover la carga.

3 Algunos actuadores operan en línea (actuadores lineales). Estos son llamados cilindros. Se usan para levantar pesos, ejercer fuerzas y sujetar.

ATENCIÓN

Un sistema hidráulico no es una fuente de energía. La fuente de energía es el primer impulsor, tal como un motor eléctrico o un motor que impulse la bomba.

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5. Transmisión de la Potencia Hidráulica

En la siguiente figura en cambio, se grafica un ejemplo de transmisión de potencia, utilizando un actuador rotatorio.

RECUERDE

PARA PENSAR

Hoy el término Hidráulica se emplea mayoritariamente para referirse a la transmisión y control de fuerzas y movimientos por medio de líquidos, es decir, se utilizan los líquidos para la transmisión de energía.

¿Sabía que, en la mayoría de los casos, los líquidos utilizados para la transmisión de energía son aceites minerales, pero también pueden emplearse otros fluidos, como líquidos sintéticos, agua o una emulsión agua-aceite?

¡Felicitaciones! Usted ha finalizado el capítulo 5. A continuación se desarrollará el capítulo Motores y Bombas Hidráulicos.

6

Generalidades Hidráulicas

Motores y Bombas Hidráulicos TEMAS DEL CAPÍTULO 6 6.1 Función y tipos de motores hidráulicos Motor de engranes Motor de paletas Motor de pistones 6.2 Función y tipos de bombas hidráulicas 6.3 Bombas hidrodinámicas: Bombas centrífugas 6.4 Bombas hidrostáticas: Bombas rotatorias Bomba de engranes Bomba de leva y pistón Bomba de lóbulos Bomba de tornillo Bomba de paletas Bomba de dos pasos Bomba de combinación

En capítulos anteriores se definieron las bombas y motores hidráulicos como elementos centrales de todo sistema hidráulico. En este capítulo se detallan sus funciones y su clasificación, según construcción y modo de operación.

63

64 65 66

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6. Motores y Bombas Hidráulicos

6.1

Función y Tipos de Motores Hidráulicos

¿Qué función cumplen los motores hidráulicos? Los motores hidráulicos convierten la energía operativa de un sistema hidráulico en energía mecánica rotativa, la cual se aplica por medio de un eje.

¿Qué tipos existen? Los motores hidráulicos pueden dividirse en 3 grandes grupos: los de engranes (los engranes son accionados directamente por aceite a presión), los de paletas, y los de pistones (el movimiento rotatorio es generado por la acción oscilatoria de un pistón o percutor).

MOTOR DE ENGRANES Los motores de engranes cuentan con dos engranes que giran juntos, pero sólo uno de ellos va acoplado al eje de salida.

MOTOR DE PALETAS Los motores de paletas son de desplazamiento fijo. Sin embargo, se puede cambiar el desplazamiento de una unidad determinada, mediante la instalación de un anillo con diferentes dimensiones.

MOTOR DE PISTONES Los motores de pistones son unidades de desplazamiento positivo, capaces de provocar que gire un eje y que se alcance una velocidad variable.

GLOSARIO DESPLAZAMIENTO

Es el volumen de fluido descargado por una bomba en un tiempo específico, normalmente expresado en galones por minuto. DESPLAZAMIENTO POSITIVO

Es una característica de una bomba o motor, la cual tiene sellada positivamente la entrada desde la salida, para que el fluido no pueda recircular al componente.

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6. Motores y Bombas Hidráulicos

6.2

Función y Tipos de Bombas Hidráulicas

BOMBAS HIDRÁULICAS La función de las bombas es convertir el movimiento giratorio del eje que toma del motor, en energía hidráulica, al empujar el fluido hidráulico dentro del sistema. En la figura se muestra un ejemplo de bomba hidráulica.

¿Qué tipos de bombas existen? En el siguiente cuadro, se presenta una clasificación resumida de los diversos tipos de bombas hidráulicas.

Hidrodinámicas o de desplazamiento no positivo

Centrífugas

De combinación Bombas hidráulicas

De dos pasos De engranes

Hidrostáticas o de desplazamiento positivo

De leva y pistón Rotatorias De lóbulos

De tornillo De paletas

6. Motores y Bombas Hidráulicos

6.3

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Bombas Hidrodinámicas: Bombas Centrífugas

¿CÓMO FUNCIONAN LAS BOMBAS HIDRODINÁMICAS? Las bombas hidrodinámicas o de desplazamiento no positivo, se utilizan principalmente para transferir fluidos en sistemas donde la única resistencia encontrada es la creada por el peso y la fricción del mismo fluido.

BOMBA CENTRIFUGA La bomba centrífuga forma parte de las bombas de desplazamiento no positivo. Una bomba centrífuga pasa la energía suministrada al interior del líquido que está siendo bombeado. La energía que está dentro del líquido se manifiesta como energía de velocidad, energía de presión, energía estática o alguna combinación de éstas.

GLOSARIO FUERZA CENTRÍFUGA

Es una fuerza que se aleja del centro.

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6. Motores y Bombas Hidráulicos

6.4

Bombas Hidrostáticas: Bombas Rotatorias

¿CÓMO FUNCIONAN LAS BOMBAS HIDROSTÁTICAS? Las bombas hidrostáticas o de desplazamiento positivo suministran una cantidad específica de fluido por cada carrera, revolución o ciclo. Exceptuando las pérdidas por fuga, su salida es independiente a la presión de salida, lo que convierte este tipo de bombas en ideales para la transmisión de potencia.

¿Cómo trabaja una bomba rotatoria? Las bombas rotatorias son generalmente de desplazamiento positivo. Una bomba rotatoria de desplazamiento positivo, atrapa el fluido empujándolo dentro de la carcasa, como lo hacen las bombas centrífugas.

¿Qué tipos de bombas rotatorias existen? Entre los diferentes tipos de bombas rotatorias, se encuentran:

Bombas de engranes

GLOSARIO CARRERA

Bombas de leva y pistón

Bombas de lóbulos

Bombas de tornillos

Bombas de paletas

Es el recorrido que hace la bomba, en una revolución o ciclo. POTENCIA

Es el trabajo por unidad de tiempo medido en caballos de fuerza (HP) o Watts.

6. Motores y Bombas Hidráulicos

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BOMBA DE ENGRANES

La bomba de engranes es la más simple de las bombas de desplazamiento positivo. Esta bomba desarrolla flujo al transportar el fluido entre los dientes de dos engranes dentados. Uno de los engranes es impulsado por el eje impulsor y hace girar el segundo engrane. Las cámaras bombeadoras que se forman entre los dientes del engrane están cubiertas por la caja de la bomba y las placas de los lados (frecuentemente llamadas placas de presión o desgaste).

BOMBA DE LEVA Y PISTÓN

La bomba de leva y pistón consiste en un excéntrico -el eje no está en el centro- que acciona un brazo ranurado, que se encuentra en la parte superior. Al girar, hace que el excéntrico atrape el líquido entre éste y la carcasa. Como la rotación continúa, el líquido es forzado a salir al exterior a través del brazo ranurado (pistón ranurado).

BOMBA DE LÓBULOS

La bomba de lóbulos cuenta con dos rotores, y cada uno estos rotores contienen dos, tres, cuatro o más lóbulos. Los rotores son ambos motrices y sincronizados por engranes externos (reductorrepartidor). El espacio entre el lóbulo es mayor, comparado con el de los dientes de los engranes.

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6. Motores y Bombas Hidráulicos

BOMBA DE TORNILLO

La bomba de tornillo tiene un rotor en forma de espiral, que gira excéntricamente en el estator (carcasa de la bomba) con una hélice interna. El flujo se produce entre las roscas de los tornillos y a lo largo de éstos.

BOMBA DE PALETA

El principio de funcionamiento de una bomba de paleta se basa en un rotor ranurado, el cual realiza la función de un eje impulsor y gira dentro de un anillo de leva. Las paletas están ajustadas a las ranuras del rotor y siguen la superficie interior del anillo cuando gira el rotor.

GLOSARIO LEVA

Es la pieza que gira alrededor de un punto que no es su centro y que transforma el movimiento circular continuo en rectilíneo. LÓBULO

Es una parte con forma redonda que sobresale.

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6. Motores y Bombas Hidráulicos

BOMBA DE DOS PASOS

Una bomba de dos pasos funciona como una bomba sencilla, pero con el doble de capacidad de presión. En la versión de dos pasos, los dos cartuchos funcionan en serie y la presión operante es dividida entre ellos en partes iguales con una válvula divisora. Dos pistones en la válvula divisora están sometidos a una presión en la salida de la bomba y en la cámara entre las dos unidades bombeadoras. El pistón expuesto a la presión de salida tiene la mitad del área del pistón actuado por la presión intermedia.

BOMBAS DE COMBINACIÓN

Son bombas dobles, las cuales contienen válvulas integrales para funciones de alivio y descarga. Cuando la carga está avanzando inicialmente, la presión es menor que el ajuste de ambas válvulas, y éstas permanecen cerradas. El flujo que viene de la unidad de alto volumen pasa a través de la válvula check ATENCIÓN (este tipo de válvula direccional de un paso es definido en el capítulo de válvulas de este manual) y se une a la salida del cartucho de bajo volumen que va al actuador. Cuando la presión registrada en la salida de la bomba excede el ajuste de la válvula descargadora, el flujo del cartucho grande es desviado al tanque, con poca o ninguna presión, y la válvula check se cierra.

Consulte los símbolos para entender este gráfico al final del manual.

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6. Motores y Bombas Hidráulicos

ACTIVIDAD Relacione la imagen con el tipo de bomba o motor, y con la característica que le corresponde.

IMAGEN

1

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5

6

7

TIPO DE BOMBA O MOTOR

CARACTERISTICA

Bomba de engranes

Mediante la instalación de un anillo, es posible cambiar el desplazamiento de una unidad determinada del motor.

Motor de pistones

La energía suministrada es pasada al interior del líquido que está siendo bombeado.

Bomba de leva y pistón

El flujo se produce al transportar el fluido entre los dientes de dos engranes dentados.

Motor de engranes

Un excéntrico acciona un brazo ranurado en la parte superior.

Motor de paletas

Dos engranes giran juntos, pero sólo uno de ellos va acoplado al eje de salida.

Bomba centrífuga

Un rotor ranurado realiza la función de un eje impulsor y gira dentro de un anillo de leva.

Bomba de paleta

Unidad capaz de girar un eje para alcanzar una velocidad variable.

¡Felicitaciones! Usted ha finalizado el capítulo 6. A continuación se desarrollará el capítulo Cilindros Hidráulicos.

7

Generalidades Hidráulicas

Cilindros Hidráulicos TEMAS DEL CAPÍTULO 7 7.1 Función de los cilindros hidráulicos 7.2 Clasificación de los cilindros Cilindros de acción simple Cilindros de doble acción

Al convertir la energía hidráulica en energía mecánica, los cilindros hidráulicos son un elemento central del sistema. Sus funciones, modo de operación y tipos, son los temas principales de este capítulo.

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7. Cilindros Hidráulicos

7.1

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Función de los Cilindros Hidráulicos

¿Qué función cumplen los cilindros hidráulicos? Los cilindros hidráulicos convierten la energía hidráulica en energía mecánica. También se conocen con el nombre de actuadores lineales, ya que la salida de un cilindro es un movimiento en línea recta.

¿Cómo funcionan los cilindros hidráulicos? El fluido bajo presión enviado por una de las conexiones del actuador, actúa contra el área del pistón. El pistón unido al vástago es movido linealmente en su longitud con una pequeña fuerza y la fuerza empleada es usada para mover o cargar.

7.2

Clasificación de los Cilindros

¿Qué clases de cilindros se utilizan? Los cilindros hidráulicos se clasifican principalmente en:

1 CILINDROS DE SIMPLE ACCIÓN

2 CILINDROS DE DOBLE ACCIÓN

EJEMPLO

Los cilindros hidráulicos no sólo se utilizan en numerosas industrias, sino también en la construcción de edificios, barcos, en la aeronáutica y en la industria automotriz, entre otras aplicaciones. Se usan por ejemplo para levantar buques; nivelar secciones, puentes, tanques; para juntar y sostener piezas para soldadura; y además permiten el posicionamiento controlado de cargas pesadas.

7. Cilindros Hidráulicos

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1 CILINDROS DE SIMPLE ACCIÓN En los cilindros de simple acción o acción sencilla, la energía hidráulica puede producir empuje o movimiento en una dirección solamente. Luego puede ser regresado mecánicamente o por gravedad.

La presión del fluido se aplica al elemento móvil, considerado del tipo ariete, es decir, que se mueve en una sola dirección.

2 CILINDROS DE DOBLE ACCIÓN

En los cilindros de doble acción, la fuerza del fluido puede ser aplicada al elemento movible en cualquier dirección.

El mecanismo de los cilindros de doble acción se mueve en ambas direcciones y puede controlar otro mecanismo o máquina en forma indirecta. El vástago está provisto de diferentes acoplamientos que se pueden unir a la máquina o mecanismo al cual se va a controlar.

GLOSARIO ARIETE

Es un cilindro de simple acción con un solo diámetro, en vez de un diámetro de pistón y otro de flecha.

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7. Cilindros Hidráulicos

ACTIVIDAD

Dentro de este capítulo establecimos las diferencias en el modo de operación, entre cilindros de acción simple y cilindros de acción doble. La siguiente actividad permite reforzar dichas características. Señale si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas:

VERDADERO

1

El empuje que genera un cilindro de acción simple puede regresarse mecánicamente.

2

Los cilindros también se conocen con el nombre de actuadores rotatorios.

3

Los cilindros de doble acción pueden controlar otra máquina o mecanismo mediante acoples específicos.

4

En lo cilindros de acción simple, la presión del fluido se aplica al elemento móvil en cualquier dirección.

5

El mecanismo de los cilindros de doble acción se mueve en ambas direcciones.

¡Felicitaciones! Usted ha finalizado el capítulo 7. A continuación se desarrollará el capítulo Tuberías y Conexiones.

FALSO

8

Generalidades Hidráulicas

Tuberías y Conexiones TEMAS DEL CAPÍTULO 8 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6

Este capítulo detalla las diferentes clases de conductores que transportan el fluido hidráulico entre los componentes de un sistema, incluyendo sus funciones, los criterios para su selección, y las conexiones que se utilizan en cada caso.

Tuberías Conexiones para tuberías Mangueras Conexiones para mangueras Caños Conexiones para caños

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