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• Ney Felipe Cepeda

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VIRTUAL HIDRÁULICA I Te enseñamos a ser, profesional

Fundamentos de sistemas hidráulicos en equipo Pesado

Introducción a sistemas hidráulicos Unidad I

Fundamentos de sistemas hidráulicos en equipo pesado

Prefacio El presente manual pretende complementar y solidificar conocimientos en la formación Técnica para el área de hidráulica.

Debido a la necesidad de formación actualizada en esta rama de la mecánica, pilar en el desarrollo industrial. La evolución constante de la industria por la búsqueda de solventar los procesos, cada vez más complejos, por medio de sistemas automatizados justifica la existencia de este medio como apoyo a los procesos de la hidráulica, en particular aplicados a equipo pesado.

No pretendemos proporcionar todos los elementos en el sector de la formación de la hidráulica, sino que se consideraron todos aquellos que sirven como base a los conocimientos elementales de la hidráulica.

Esperamos contribuir con los estudiantes y participantes del curso VIRTUAL HIDRÁULICA I en su formación hacia el conocimiento de los fluidos.

Nuestro propósito es lograr contribuir en su formación profesional, lo cual nos hace sentir más que orgullosos por haber cumplido con nuestro objetivo en cada uno de los presentes.

Los autores.

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Fundamentos de sistemas hidráulicos en equipo pesado

Introducción La hidráulica y la neumática son parte de la Mecánica de Fluidos, que se encargan del diseño y mantención de los sistemas hidráulicos y/o neumáticos empleados por la industria en general, con el fin de automatizar los procesos productivos, crear nuevos elementos o mejorar los ya existentes. La hidráulica y la neumática son sistemas de transmisión de energía a través de un fluido (aceite, oleohidráulica y aire, neumática).

La palabra "Hidráulica" proviene del griego "hydor" que significa "agua". Hoy el término hidráulica se emplea 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.

Actualmente cuando se refiere a la palabra “hidráulica” en presencia de los que se inician en el conocimiento de esta ciencia, es preciso remarcar que el concepto que debe de prevalecer es el de transformación de la energía, ya sea de mecánica o eléctrica en hidráulica para obtener un beneficio en términos de energía mecánica al finalizar el proceso.

La ventaja que implica la utilización de la hidráulica es la posibilidad de transmitir grandes fuerzas, empleando para ello pequeños elementos y la facilidad de poder realizar maniobras de mandos y reglaje.

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Maquinaria pesada HISTORIA: Los Estados Unidos fueron los primeros en desarrollar innovaciones para ahorrar mano de obra, primero en agricultura, después en construcción, los dos encajándose en una vigorosa tradición de mecanización. El Reino Unido y Europa se hallaban en considerable atraso en ambos sectores, probablemente debido a la abundancia de mano de obra y la menor escala de las obras para realizar, lo que llevó a una dilución del ímpetu hacia una mayor productividad.

La especialización del equipamiento de mover tierra, esencialmente como función de la distancia de acarreo, hizo aparecer la niveladora, el raspador, el buldózer, la compactora, el cargador y el ubicuo tractor agrícola. Este proceso se dio más o menos alrededor de los 1880 hasta el final de la primera guerra mundial.

En los años 1920 a 1930 el tamaño y potencia de los motores diesel los vuelven bastante universales al igual que los sistemas hidráulicos, ya en el inicio de la segunda guerra mundial la maquinaria tomaba su forma actual.

NIVELADORA: La primera niveladora reconocible apareció en 1886. Era naturalmente de tracción animal, sin embargo se ve asombrosamente similar a su descendiente, fotografiado al mismo lugar 100 años después.

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EL RASPADOR: El raspador Fresno era el ancestro de los monstruos actuales, los cuales pueden jalar 240 metros cúbicos por hora sobre una distancia de cien metros.

BULLDOZER: La historia del Bulldozer empieza con el desarrollo del vehículo asentador de vías. El primero, que funcionaba a vapor, fue utilizado por primera vez en Crimea en 1854. Modelos tempranos tomaron cierto tiempo en encontrar su forma ideal y tomó su tiempo antes que el manejo por control diferencial de la velocidad de la llanta de oruga se volvió generalizado y permitió deshacerse del eje principal. Se puede apreciar la manera en que el motor de combustión interna facilitó la unión de forma y función. El término genérico "Caterpillar" (tractor de oruga) fue utilizado por primera vez en 1909. En 1914 su silueta era poco diferente de los actuales.

La provechosa unión del tractor de oruga y la cuchara requirió cierto tiempo. El BULL BOARD había sido desarrollado separadamente para la tracción animal. Los primeros bulldozer reconocibles aparecieron alrededor de 1922 y en los años siguientes sufrieron innovaciones intensivas en la montura y el control de la cuchara para lograr máxima productividad. En 1930 el típico tractor de oruga se diferenciaba poco de los que se encuentran en la actualidad.

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TRACTOR AGRÍCOLA: El tractor nació para substituirse, en las faenas agrícolas, a los animales de tracción, los cuales estaban alcanzando rápidamente precios prohibitivos. Resulta interesante notar que alimentar un caballo durante un año requería apartar dos hectáreas de cultivo, además de una hora por día de cuidado. El primer tractor reconocible apareció en 1980, quien fue precedido lógicamente en particular en el Reino Unido, por el motor a tracción, sin embargo su peso y su costo impedían que se reemplazara el caballo para varias faenas agrícolas cotidianas.

Se utilizaban más generalmente como máquinas estacionarias para arado y trillado, a menudo alquilándose para uso diario. El tractor se acercó rápidamente de su diseño óptimo justo después de la primera guerra mundial, cuando el motor y el tren de conducción reemplazaron el chasis. Luego, la innovación consistió únicamente en cambios de detalles asociados con el incremento continuo de tamaño y potencia.

COMPACTADOR: Quien lideró el desarrollo de compactadores mecánicos fue el R.U. debido probablemente a la proliferación de caminos de macadam durante el siglo XIX los primeros compactadores manufacturados por Avelin and porter (un nombre familiar para los viejos que en su juventud se interesaron por su movimiento pesado y su inmenso volante), fueron utilizados a partir de 1867 y estos eran a vapor, fueron exportados en cantidades hacia los Estados Unidos. El vapor continuó con gran importancia en las primeras décadas del siglo XX para después ser desplazados por motores de combustión interna. Aparece el rodillo vibrante (vibro-compactador), esto causó que los primeros desaparecieran en el año 1950.

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EXPANSIÓN DE LA HIDRÁULICA: La era moderna de la transmisión de potencia hidráulica comienza en 1906, cuando se emplea como sistema de elevación y control de cañones en el navío americano Virginia, donde se usó aceite en lugar de agua. Este cambio de fluido hidráulico supuso una solución a los problemas de fugas y trajo consigo el renacimiento de la transmisión de la potencia hidráulica. En 1926, en EEUU se desarrolló el primer sistema hidráulico compacto, constituido por bomba, válvulas de control y actuadores. Los requisitos de la 2ª Guerra Mundial fueron los que determinaron el desarrollo definitivo en la hidráulica pues en la marina se empleó en elevadores, control de hélices, control de cargas, sistemas de control de submarinos, etc…

ACTUALIDAD: A día de hoy, se usa en prácticamente todas las ramas de la industria, desde automóviles o tractores hasta herramientas y sistemas de elevación.

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Atlas Copco en minería Ofrecen una amplia gama de productos en perforación de roca para aplicaciones subterráneas y de superficie:           

Equipos hidráulicos de perforación con aplicaciones en minería y tunelería: Boomer. Equipos hidráulicos mecanizados para desatado y empernado de roca: Boltec, Cabletec y Scaletec. Scooptram Minetruck Productos de automatización (RRC) Pernos de anclaje y autoperforantes. Equipos para producción de taladros largos: Simba. Perforadoras neumáticas livianas: BBC. Martillos Hidráulicos. Equipos de Raise Boring Otros

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Aplicación de la hidráulica En la actualidad las aplicaciones de la hidráulica son muy variadas, esta amplitud en los usos se debe principalmente al diseño y fabricación de elementos de mayor precisión y con materiales de mejor calidad, acompañado además de estudios mas acabados de las materias y principios que rigen la hidráulica. Todo lo anterior se ha visto reflejado en equipos que permiten trabajos cada vez con mayor precisión y con mayores niveles de energía. Dentro de las aplicaciones se pueden distinguir:

HIDRÁULICA INDUSTRIAL: Es de primera importancia contar con maquinaria especializada para controlar, impulsar, posicionar y mecanizar elementos o materiales propios de la línea de producción, para estos efectos se utiliza con regularidad la energía proporcionada por fluidos comprimidos. Se tiene entre otros: Máquinas de inyección, máquinas herramientas, industria metalúrgica, prensas. Maquinaria para la industria plástica Maquinaria para la elaboración de alimentos Equipamiento para robótica y manipulación automatizada Equipo para montaje industrial Maquinaria para la minería Maquinaria para la industria siderúrgica Etc.

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HIDRÁULICA MÓVIL El empleo de la energía proporcionada por el aire y aceite a presión, puede aplicarse para transportar, excavar, levantar, perforar, manipular materiales, controlar e impulsar vehículos móviles tales como: Tractores Grúas Retroexcavadoras Camiones recolectores de basura Cargadores frontales Frenos y suspensiones de camiones Vehículos para la construcción y mantención de carreteras

HIDRÁULICA EN L CONSTRUCCIÓN: Este trabajo consiste en el conjunto de las actividades para excavar, remover, cargar, transportar hasta el límite de acarreo libre y colocar en los sitios de desecho, los materiales provenientes de los cortes requeridos para la explanación y préstamos indicados en los planos y secciones transversales del proyecto, con las modificaciones aprobadas por el supervisor.

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EXCAVACIÓN PARA LA EXPLANACIÓN: Es el conjunto de actividades de excavación y nivelación de las zonas comprendidas dentro del prisma donde se fundará la carretera, incluyendo taludes y cunetas; así como la escarificación, conformación y compactación del nivel subrasante en zonas de corte; además, excavaciones para el ensanche o modificación del alineamiento horizontal o vertical.

EXCAVACIÓN COMPLEMENTRIA: Son las excavaciones necesarias para el drenaje de la obra vial, que pueden ser cunetas, badenes y alcantarillas, así como el mejoramiento de obras similares existentes y de cauces naturales.

EXCAVACIÓN EN ZONAS DE PRÉSTAMO: El trabajo comprende el conjunto de las actividades para explotar los materiales adicionales a los volúmenes provenientes de préstamos laterales o propios a lo largo de la obra vial, requeridos para la construcción de los terraplenes o pedraplenes.

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HIDRÁULICA EN APLICACIONES NAVALES:

Aplicaciones en timones, grúas, compuertas, motores para las redes, mecanismos de transmisión, sistemas de mandos, sistemas especializados de embarcaciones o buques militares.

Sitecna Alumas construye y diseña embarcaciones, el diseño de las embarcaciones se basa en la estandarización en los cascos de sus modelos de lanchas para otorgar buen rendimiento hidrodinámico para máxima eficiencia y rendimiento propulsivo. La construcción se realiza acorde con las reglas de certificación y equipamiento según el American Boat And Yacht Council; con aluminio naval series 5000 y 6000 completamente soldadas de acuerdo a normas del American welding society. Algunos de los requerimientos principales que certifica la organización son: Seguridad de la embarcación, Fiabilidad de las instalaciones (hidráulicas; eléctricas y servicios), Resistencia estructural, Estabilidad, Control ambiental durante la construcción, Protección contra incendios, utilización de materiales y utilización según norma.

HIDRÁULICA EN TÉCNICAS ESPECILES:

La potencia hidráulica se usa prácticamente en bancos de prueba y de investigación, accionamiento de antenas, tren de aterrizaje de aviones, máquinas especiales un proyectil, un satélite artificial, etc.

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HIDRÁULICA EN LA AERONÁUTICA:

La potencia hidráulica se usa prácticamente en timones, alerones, trenes de aterrizaje, frenos, simuladores, equipos de mantenimiento aeronáutico, etc.

HIDRÁULICA EN LA MEDICINA El empleo de la energía proporcionada por aceite a presión, puede aplicarse en Instrumental quirúrgico, mesas de operaciones, camas de hospital, sillas e instrumental odontológico, etc.

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Ventajas de la hidráulica 1. FACILIDAD DE OBTENER GRANDES FUERZAS Y TORQUES. Los valores de fuerza a obtener son ilimitados; se trabaja a las mismas presiones y solo se incrementa el área de los actuadores. 2. EXACTITUD DE MOVIMIENTO Y DE POSICIONAMIENTO. Pueden lograrse grandes exactitudes y precisiones al trabajarse con un fluido prácticamente incompresible. Además los sistemas hidráulicos pueden controlarse electrónicamente en lazo abierto o en lazo cerrado (feed back) lográndose un control preciso de sus parámetros. Estas técnicas se aplican al utilizar válvulas proporcionales y servoválvulas. 3. FÁCIL CONTROL Y REGULACIÓN. Las magnitudes de regulación y control de la hidráulica son el la presión y el caudal las cuales con sus correspondientes parámetros de fuerza, torque y velocidad y aceleración son fáciles de controlar regulándose en niveles (digital) o en forma continua (análogo).

4. RELACIONES PESO/POTENCIA, INERCIA/POTENCIA Y TAMAÑO / POTENCIA PEQUEÑAS. Para la misma potencia mientras el peso de un motor hidráulico es como 1, el peso de un motor eléctrico es como 14. Como consecuencia se usan en aviones, barcos y en general en equipos móviles. Para la misma potencia un motor hidráulico tiene una inercia de 1 y un motor eléctrico tiene una inercia de 70. Como consecuencia los motores hidráulicos tienen un menor tiempo de respuesta, esto es más rápidos, al ser menor su inercia. Mientras que para la misma potencia un motor hidráulico tiene un tamaño de 1, un motor eléctrico tiene un tamaño de 26.La comparación de un motor hidráulico con un motor de combustión interna es obviamente mucho más remarcada.

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5. VELOCIDAD VARIABLE. La mayoría de los motores eléctricos funcionan a una velocidad constante. El actuador (lineal o rotativo) de un sistema hidráulico, sin embargo puede moverse a velocidades infinitamente variables, variando el caudal de la bomba o usando una válvula de control de caudal o una válvula proporcional. Además un motor eléctrico debe ser muy robusto (mayor cantidad de polos) para lograr “bajas” velocidades (1200 o 900 rpm), y la volante de un motor de combustión interna gira en ralentí a 500 ó 800 rpm, en ambos casos si se quiere lograr menores velocidades se debe de recurrir tradicionalmente a una caja reductora de velocidad*, en cambio con un motor hidráulico se pueden obtener cualquier gama de velocidad con mucha flexibilidad.  Actualmente los sistemas electrónicos de potencia pueden ser una alternativa al controlar mediante variadores de velocidad las RPM del motor eléctrico.

6. REVERSIBILIDAD. Pocos actuadores son reversibles. Los que son reversibles, generalmente deben decelerarse y luego acelerarse lentamente, en cambio un actuador hidráulico puede invertirse, instantáneamente, en pleno movimiento, sin problemas. Una válvula direccional o una bomba reversible proporcionan el control de la inversión, mientras que una válvula limitadora de presión protege a los componentes del sistema contra las presiones excesivas. 7. PUEDEN BLOQUEARSE (velocidad = 0). El bloqueo de un motor eléctrico causa daños o funde el fusible. Igualmente, las máquinas no pueden bloquearse bruscamente e invertirse su sentido sin necesidad de arrancar de nuevo. Un actuador hidráulico, sin embargo, puede quedar bloqueado sin que se produzcan daños, al estar sobrecargado, y arrancará inmediatamente en cuanto disminuya la carga. 8. SON SISTEMAS AUTOLUBRICADOS Ya que tienen como principal fluido al aceite el cual no solo transporta la energía sino también lubrica todas las partes del sistema.

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Desventajas de la hidráulica 1. ALTAS PÉRDIDAS EN FORMA DE ENERGÍA CALORÍFICA. Debido a la viscosidad del fluido y de la fricción con tuberías, mangueras y accesorios. La viscosidad del aceite es de 20 a 80 veces mayor a la viscosidad del agua, por ello que las pérdidas cuando circula el fluido a través de mangueras, tuberías, accesorios y en general de todo elemento generara pérdidas. Por ello que la energía hidráulica no se puede trasladar a grandes distancias y tratan de ser muy compactos. 2. SENSIBILIDAD A LA SUCIEDAD. El principal motivo de falla de un sistema hidráulico con una probabilidad del 70 al 80 % (cifras mundiales) es la suciedad que se introduce en el sistema hidráulico. Debemos tomar en cuenta que visualmente no podemos cuantificar la suciedad tomando en cuenta que la vista humana solo puede distinguir partículas a partir de tamaños de 40 micras y que las partículas que más daños causan a los sistemas hidráulicos son del orden de 1 a 10 micras que es el juegos en los elementos internos de las bombas, válvulas y actuadores.

3. DEPENDEN DE LA TEMPERATURA. La viscosidad del aceite depende de la temperatura, lo que hace que los sistemas hidráulicos dependan de la temperatura. Si el aceite tiene alta o baja viscosidad no lubricará apropiadamente las partes metálicas entrando en contacto metal - metal produciéndose rozamiento y desgaste. 4. FUGAS INTERNAS. En algunos componentes originando pérdidas de velocidad y precisión.

5. PELIGROS DE EXPLOSIÓN Y ACCIDENTES. Al trabajar con elevadas presiones.

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Hidráulica - Neumática Los sistemas de transmisión de energía oleohidráulicos y neumáticos son una garantía de seguridad, calidad y fiabilidad a la vez que reducen costos. LA SEGURIDAD: Es de vital importancia en la navegación aérea y espacial, en la producción y funcionamiento de vehículos, en la minería y en la fabricación de productos frágiles. Por ejemplo, los sistemas oleohidráulicos y neumáticos se utilizan para asistir la dirección y el frenado de coches, camiones y autobuses.

LA FIABILIDAD Y LA PRECISIÓN: Son necesarias en una amplia gama de aplicaciones industriales en las que los usuarios exigen cada vez más una mayor calidad.

LA REDUCCIÓN EN EL COSTO: Es un factor vital a la hora de asegurar la competitividad de un país industrial.

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VENTAJAS DE LA NEUMÁTICA

 El aire es de fácil captación y abunda en la tierra.  El aire no posee propiedades explosivas, por lo que no existen riesgos de chispas.  Los actuadores pueden trabajar a velocidades razonablemente altas y fácilmente regulables.  El trabajo con aire no daña los componentes de un circuito por efecto de golpes de ariete.  Las sobrecargas no constituyen situaciones peligrosas o que dañen los equipos en forma permanente.  Los cambios de temperatura no afectan en forma significativa.  Energía limpia.  Cambios instantáneos de sentido.

DESVENTAJAS DE LA NEUMÁTICA

 En circuitos muy extensos se producen pérdidas de cargas considerables.  Requiere de instalaciones especiales para recuperar el aire previamente

empleado.  Las presiones a las que trabajan normalmente, no permiten aplicar grandes fuerzas.



Altos niveles de ruido generado por la descarga del aire hacia la atmósfera.

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VENTAJAS DE LA HIDRÁULICA

     

Permite trabajar con elevados niveles de fuerza o mementos de giro. El aceite empleado en el sistema es fácilmente recuperable. Velocidad de actuación fácilmente controlable. Instalaciones compactas. Protección simple contra sobrecargas. Cambios rápidos de sentido.

DESVENTAJAS DE LA HIDRÁULICA

   

El fluido es más caro. Perdidas de carga. Personal especializado para la mantención. Fluido muy sensible a la contaminación.

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COMPARACIÓN HIDRÁULICA - NEUMÁTICA

COMPARACIÓN CON OTROS MEDIÓS DE ACCIONAMIENTO

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