Conceptos Básicos de Neumática e Hidráulica 


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Cilindros hidráulicos y neumáticos > Guarniciones de Pistón.

El teorema de Pascal, del cual la ley fundamental de la ciencia de la hidráulica evolucionó, fue propuesto en el siglo XVII. Un requerimiento para hacer la ley efectiva para usos prácticos era un pistón que debía “caber” en la abertura del recipiente “exactamente.” Sin embargo, no fue hasta finales del siglo XVIII que Joseph Brahmah ( 1749 - 1814 ) inventó un sello eficaz para el pistón, la guarnición de copa. Esto llevó al desarrollo de de la prensa hidráulica de Brahmah.

La empaquetadura fue probablemente la invención más importante en el desarrollo de la hidráulica como método principal de transmitir potencia. El desarrollo de máquinas para cortar y dar forma a piezas de encastre preciso fue también muy importante en el desarrollo de la hidráulica. Sin embargo, sin importar cuan preciso es el proceso de la máquina, se requiere generalmente un cierto tipo de empaquetadura de sello para hacer que el pistón, y muchas otras partes de componentes hidráulicos, “quepan exactamente.” Esto también se aplica a los componentes de sistemas neumáticos.

Con varios años de investigación y de experimentos, una gran variedad de materiales y diseños han sido creados tratando de desarrollar dispositivos convenientes de guarnición o empaquetadura. Los materiales apropiados deben ser durables, deben proporcionar un sello eficaz, y deben ser compatibles con el fluido usado en el sistema.

En forma general los materiales de sello se conocen comúnmente como juntas, empaques, empaquetaduras o guarniciones según el país y algunas ligeras diferencias funcionales. Los sellos usados en los sistemas de potencia fluida y los componentes se dividen en dos grupos generales sellos estáticos y sellos dinámicos.

El sello estático se conoce generalmente como junta o guarnición. La función de una junta es proporcionar un material que pueda amoldarse a las irregularidades superficiales de las áreas de acoplamiento que requieren el sello. Para hacer esto, el material de la junta debe estar bajo presión. Esto requiere que la unión esté atornillada firmemente o de lo contrario fírmemente empalmada.

El sello dinámico, designado comúnmente como empaquetadura, se utiliza para proporcionar un sello entre dos porciones que se muevan una con respecto a la otra. Por ejemplo en el vástago de una válvula hidráulica. Estas dos clasificaciones de sellos –guarniciones y empaquetaduras- se aplican en la mayoría de los casos; sin embargo, algunas diferencias se encuentran en algunas publicaciones técnicas. Ciertos tipos de sellos (por ejemplo los aros, anillos u o-rings) se pueden utilizar como guarnición o empaquetadura. Muchos de los sellos en sistemas de potencia fluida previenen pérdidas o fugas externas. Estos sellos tienen dos propósitos - sellar el líquido en el sistema de manera que sea un sistema estanco y evitar el ingreso de materia extraña al sistema. Otros sellos (juntas, retenes, aros, etc. ) previenen simplemente fugas internas dentro de un sistema.

NOTA: Aunque las fugas de cualquier clase dan lugar a una pérdida de eficacia, una cierta cantidad de pérdidas, especialmente pérdidas internas, es deseable en sistemas hidráulicos para proporcionar la lubricación de las piezas móviles. Esto también se aplica a algunos sistemas neumáticos en los cuales gotas del aceite se introducen en el flujo de aire que alimenta al sistema.

MATERIALES UTILIZADOS EN LA FABRICACIÓN DE SELLOS.

Según lo mencionado previamente, muchos y variados materiales se han utilizado en el desarrollo de los dispositivos de sello. El material usado para una aplicación particular depende de varios factores: compatibilidad con fluidos, resistencia al calor, presión, resistencia de desgaste, dureza, y tipo de movimiento.

La selección de las empaquetaduras y juntas correctas y su instalación apropiada son factores importantes al mantener un sistema de potencia fluido en forma eficiente. Los tipos de sellos que se utilizarán en una parte particular del equipo son especificados por el fabricante de equipamiento.

En el caso de equipamiento militar, la selección de sellos se limita a menudo a los sellos cubiertos por especificaciones militares. Sin embargo, hay ocasiones en que pueden ser aprobados sellos no estándar o con marca registrada, que reflejan el avance tecnológico. Así, es importante seguir las instrucciones del fabricante cuando usted substituye las juntas o empaquetaduras. Si el sello apropiado no está disponible, se deberá dar una importante consideración a la selección de un substituto conveniente.

Los sellos se hacen de materiales que han sido cuidadosamente elegidos o desarrollado para los usos específicos. Estos materiales incluyen el tetraflouroretileno (TFE), comúnmente llamado Teflón; caucho sintético (elastómeros); corcho; cuero; metal; y asbesto. Algunos de los materiales más comunes usados para hacer los sellos para los sistemas de potencia fluida se discuten a continuación.

CORCHO

El corcho tiene varias de las características requeridas, que lo hace adecuado idealmente como material de sellado en ciertos usos. La compresibilidad de los sellos de corcho en guarniciones, juntas, aros, empaquetaduras, etc. los hace apropiado para usos confinados en los cuales poca o ninguna dispersión del material es permitida. La compresibilidad del corcho también lo convierte en un buen sello que se puede cortar a cualquier espesor y forma deseadas, para adaptarse a cualquier superficie y proporcionar así un sello excelente.Una de las características indeseables del corcho es su tendencia a desmenuzarse. Si el corcho se utiliza como empaquetadura o en áreas donde hay una alta presión y/o una alta velocidad de fluido, pequeñas partículas se desprenderán hacia el sistema. El uso del corcho en los sistemas de potencia fluida por lo tanto es limitado. Se utiliza a veces como material de junta para las placas de inspección de depósitos hidráulicos.

El corcho se recomienda generalmente para el uso donde las temperaturas continuas no exceden 275°F.

CORCHO Y CAUCHO

Los sellos de corcho y de caucho son hechos combinando el caucho sintético y el corcho. Esta combinación tiene las propiedades de ambos materiales. Esto significa que los sellos se pueden hacer con la compresibilidad del corcho, pero con una resistencia al fluido comparable al caucho sintético en el cual se basan. La combinación de corcho y de caucho se utiliza a veces para hacer juntas para usos similares a los descritos para las juntas de corcho.

CUERO

El cuero es un material de entramado compacto generalmente resistente, flexible, y relativamente resistente a la abrasión, al desgaste, a la tensión, y a los efectos de los cambios de temperatura. Debido a que es poroso, puede absorber el lubricante de los fluidos. Esta porosidad hace necesario impregnar el cuero para la mayoría las aplicaciones. Generalmente el cuero se debe curtir y tratar para hacerlo útil como material de junta. Los procesos de curtido son los usados normalmente en la industria de cuero.

El cuero es generalmente resistente a la abrasión sin importar si el lado de grano o el lado de descarne están expuestos a la acción abrasiva. El cuero se mantiene flexible a bajas temperaturas y puede ser presionado con comparativa facilidad para ponerse en contacto con los rebordes del metal. Cuando está impregnado correctamente, éste es impermeable a la mayoría de los líquidos y a algunos gases, y capaz de soportar los efectos de las temperaturas en un rango de - 70°F a +220°F.

El cuero tiene cuatro limitaciones básicas. Primero, el tamaño del cuero típico limita el tamaño de los sellos que se pueden hacer con el mismo. Una segunda limitación es el número de sellos que sean aceptables. Otra limitación es que bajo altas presiones mecánicas el cuero se tiende a extrudir. Finalmente, muchas de las características (tales como impermeabilidad, fuerza extensible, resistencia a alta y baja temperatura, flexibilidad, y compatibilidad con el ambiente) dependen del tipo de cuero y de la impregnación. Los cueros no curtidos e impregnados para las condiciones y características específicas llegarán a ser frágiles, secos, y totalmente desengrasado por la exposición a los productos químicos particulares. El cuero nunca se utiliza con presión del vapor de ningún tipo, ni con las soluciones alcalinas o ácidos.

El cuero se puede utilizar como empaquetadura. Cuando está moldeado en forma de “V” y “U”, forma de copa, y otras formas, puede ser utilizado como empaquetadura dinámica, mientras que en su forma plana puede ser utilizado como empaquetadura de compresión plana.

METAL

Uno de los sellos más comunes de metal usados, por ejemplo, en equipos de la marina de guerra es el cobre. Los anillos de cobre planos se utilizan a veces como juntas debajo de los tornillos de reglaje para proporcionar un sello a los fluidos. Anillos de cobre moldeados se utilizan a veces como empaquetadura con engranajes de velocidad que funcionen sujetos a altas presiones. Cualquier tipo es fácilmente doblado y requiere trato cuidadoso. Además, el cobre se vuelve tenaz cuando se es utilizado durante largos periodos de tiempo y cuando está sujetado a una compresión. Siempre que una unidad o un componente sea desmontada, los anillos de sello de cobre deben ser substituidos. Sin embargo, si los nuevos anillos no están disponibles y la pieza debe ser reparada, el viejo anillo se debe ablandar mediante recocido (annealing). (El recocido es el proceso de calentar un metal, y después enfriarlo, para hacerlo más flexible y menos frágil.)

Aros metálicos de émbolo de pistón se utilizan como empaquetadura en algunos cilindros de impulsión de potencia fluida. Estos anillos son similares en diseño a los aros del émbolo de motores de automóvil. El metal también se utiliza con el asbesto para formar las guarniciones devanadas en espiral de metal-asbesto (ver figura adjunta). Estas juntas se componen de capas intercaladas de tiras acanaladas preformadas de metal y de asbesto, llamadas relleno

Fig.: Junta devanada en espiral de metal asbesto .

El relleno puede o no estar encapsulado en un anillo externo de metal sólido. Estas juntas se utilizan en conexiones bridadas y para conectar el cuerpo con el casquillo en algunas válvulas, y se requieren generalmente en aplicaciones de alta presión, y alta temperatura específicos.

CAUCHO - GOMA

El término caucho y caucho sintético cubre variedades numerosas. Las características de estas variedades tienen una amplia gama, a excepción de algunas semejanzas básicas, que los cauchos o gomas tienen características y limitaciones diversas; por lo tanto, los usos específicos requieren un estudio cuidadoso antes de que se seleccione el material de sello.

Los cauchos naturales tienen muchas de las características requeridas en un sello eficaz. Sin embargo, su resistencia muy pobre al petróleo y su envejecimiento rápido cuando están expuestos al oxígeno u ozono limitan su uso. Su uso casi ha cesado hoy.

Hay dos clases generales de sellos de caucho sintético. Una clase se hace enteramente de cierto caucho sintético. El término homogéneo, que significa que tienen una estructura o composición uniforme, se utilizan con frecuencia para describir esta clase de sello. La otra clase de sello es hecha impregnando lona gruesa de algodón o asbesto de entramado fino con caucho sintético. Esta clase se conoce a veces como sellos fabricados.

Figura 6-16 Aros de Pistón. Los aros de pistón del tipo Automotor son utilizados únicamente en cilindros hidráulicos de alta velocidad.

Los aros usualmente de fundición de hierro, trabajan en camisas de acero, presentan un pequeño nivel de fugas a través de ellos, por eso son utilizados donde es más importante una prolongada vida útil que una absoluta estanqueidad.

Figura 6-17  MÚLTIPLE V. Las guarniciones múltiples en V son en cilindros de alta velocidad donde se requiere estanqueidad absoluta. Adaptadores de metal o plástico , actúan como respal do de cada conjunto de guarniciones. En la práctica se utiliza una V por cada 500 PSI de presión actuante.

 

 

Figura 6-18 Guarnición de doble labio.

La guarnición es una placa metálica a la que se ha vulcanizado caucho sintéticos en doble labio. Sella en ambos sentidos. Utilizada en cilindros neumáticos e hidráulicos de baja presión provee una larga vida útil, Algunos fabricantes colocan una placa de guía que previene la defor mación de la guarnición por cargas radiales.

Figura 6-19 Copa. 

Realizadas en cuero o caucho sintético, son especialmente recomendadas para baja presión en aire. Los labios poseen una superficie amplia de sellado contra la camisa y la hacen en forma suave. A baja presión esta guarnición presenta una reducida fricción de arranque.

Figura 6-20 Guarnición "U"

Usualmente realizada en caucho sintético es fácil de reemplazar y muy popular para presio nes del orden de las 500 PSI en aire o hidráulica.

Figura 6-21 Bloque "V". Similar a la "U" pero con un inserto en el caucho sintético que le confiere características aptas para altas presiones. Presenta baja fricción a elevadas presiones.
Figura 6-22  O-Ring. La más sencilla guarnición de pistón. El O-Ring o guarnición "O" es la guarnición más económica, pero presenta ciertas desventajas: Su vida es más corta que la otras guarniciones, la fricción de arranque es elevada, y en cilindros de gran diámetro el orosello tiene tendencia a retorcerse y/o aplastarse.

Fig.: Instalación O-ring típica en un pistón

Figura 6-23 O-Ring. (arosello) con respaldo.

Para presiones elevadas o huelgos considerables, se coloca al arosello entre dos respaldos generalmente de teflón que impiden la extrusión del O-Ring a través de los huelgos.

AROS DE RETENCIÓN (retainer rings, antiextrusion devices, nonextrusion rings )

Los aros de retención, también designados como aros de empaquetadura, aros de respaldo, aros de empaque, anillos de soporte, anillos de retención, dispositivos antiextrusion, etc., son dispositivos tipo arandela que van instalados en el lado de baja presión de la empaquetadura para prevenir la extrusión del material de empaquetadura. Los aros de retención en sellos dinámicos reducen al mínimo la erosión de los materiales de empaquetadura y la falla posterior del sello. A bajas presiones, los aros de retención prolongarán la vida normal de desgaste de la empaquetadura. A presiones altas, los aros de retención permiten mayores separaciones entre las piezas móviles. Normalmente, los aros de retención son requeridos para presiones de funcionamiento superiores a 1500 psi.

Los aros de retención se pueden hacer de politetrafluoetileno, de caucho duro, de cuero, y de otros materiales. El material más común usado actualmente es el tetraflouroretileno (TFE). Los aros de retención están disponibles como de vuelta única continua (sin corte o sólidos), vuelta única con corte en diagonal y tipo espiral. Véase la figura adjunta. Los aros de cuero se suministran siempre en la forma de aro sólido (sin corte). Los aros de TFE están disponibles en los tres tipos.

Fig.: En caso de que sólo un aro de retención sea usado, la forma de colocación correcta se ve en la Vista A, y no a la inversa como la vista B.

Empaquetado y almacenamiento

Los aros de retención no tienen código de color u otro tipo de marca y se deben identificar según las etiquetas de empaquetado. Los aros de retención hechos de TFE no se deterioran con el paso del tiempo y no tienen limitaciones de vida útil. Los aros de retención de TFE son provistos por el fabricante en paquetes individualmente sellados o en mandriles. Si los anillos desempaquetados son almacenados durante mucho tiempo sin el uso de mandriles, pueden llegar a superponerse. La superposición ocurre cuando la identificación del aro de retención llega a ser más pequeña y sus extremos se traslapan. Para corregir este problema, apile los anillos de TFE en un mandril del diámetro correcto, y asegure los anillos con sus espirales en forma plana y paralela. Coloque los anillos en un horno en una temperatura máxima de 177°C (350°F) por aproximadamente 10 minutos.

No los recaliente porque las emanaciones de la descomposición del TFE son tóxicas. Quite y enjuague los anillos. Almacene los anillos a temperatura ambiente antes de usarlos (preferiblemente por 48 horas).

Figura 6-24 O-Ring. (arosello) con zapata.

Un oro de plástico o zapata es colocado sobre el O-Ring Standard. Esta zapata en contacto con la camisa trabaja cómo guarnición deslizante. El O-Ring provee a la zapata la expansión necesaria para el contacto con la camisa. Esta disposición presenta, baja fricción de arranque y una vida mas larga que el O-Ring solo.

Guarniciones “T”

La guarnición “T” tiene un elemento de sello bidireccional elastomérico que se asemeja a una letra invertida T. Este elemento de sello se acopla siempre con dos anillos de soporte de resistencia a la extrusión especiales, uno en cada lado de la “T”. La configuración básica de la guarnición “T” se observa en la figura adjunta, vista A. Los anillos de soporte son una sola vuelta, corte en diagonal, y hechos generalmente de TFE, de nilón impregnado de disulfuro de molibdeno, o de una combinación de TFE y de nilón. El nilón es ampliamente utilizado para los anillos de soporte de las guarniciones “T” porque proporciona una resistencia excelente a la extrusión y tiene punto bajas características de fricción. La configuración especial de guarniciones “T” agrega estabilidad a la junta, eliminando espirales y rollos.

Los sellos “T” se utilizan en aplicaciones donde separaciones grandes podrían ocurrir como resultado de la expansión del cilindro hidráulico de paredes delgadas. Los sellos “T” son instalados bajo compresión radial y proporcionan un sello positivo a presión cero o baja. Los anillos de soporte, uno en cada lado, se encuentran libres de los rebordes de la junta “T” y del vástago o la pared del cilindro (ver figura adjunta, vista B). Estas separaciones mantienen la fricción del sello a un mínimo a presión baja. Cuando se aplica presión (ver figura adjunta, vista C), la junta “T” actúa para proporcionar acción positiva de sellado mientras que la presión del fluido aumenta .

Sellos Quad-Ring®

Los sellos Quad-Ring® son anillos de empaquetadura de configuración especial, manufacturado por Minnesota Rubber. En comparación con un anillo o-ring, un sello Quad-Ring® tiene una forma de sección transversalmente cuadrada con las esquinas redondeadas (ver figura). Los sellos Quad-Ring® ofrecen más estabilidad que el diseño del arosello tipo o-ring y elimina prácticamente las torceduras o el efecto espiral que se encuentra a veces en los o-ring.

Fig.: Junta Quad-Ring®

 

Guarniciones de Vastago.

Estas ilustraciones vistas anteriormente representan las guarniciones mas comunes de vástago de cilindros, no pretenden demostrar los aspectos constructivos del buje de guía del vástago generalmente construida en bronce, teflón o nylon. Las empaquetaduras de vastago se construyen en una variedad de materiales compatibles con las presiones, temperaturas y fluidos a emplearse. Los materiales mas corrientes son: Neoprene , BUNA-N, BUNA-S, Siliconas, Butyl, Uretano, Viton-A, hy-cor, caucho natural, cuero, Teflón ,  Kel-F, Nylon, etc.

Figura 6-25 "N" Múltiples.

Usadas en un mínimo de 2 y un máximo de 6 con sus respaldos en cada extremo, proveen buen servicio en hidráulica de presión media y alta.

 

Figura 6-26 "U".

Utilizada como guarnición única para aire comprimido y bajas presiones hidráulicas.

Figura 6-27 Sombrero.

De cuero o caucho sintético apta para bajas presiones neumáticas o hidráulicas.

Figura 6-28 Empaquetadura Ajustable.

Donde es admitida la elevada fricción esta guarnición asegura un vástago siempre seco.

Figuras 6-29, 6-30 y 6-31

Los orosellos con respaldos o zapatas para baja fricción empleados en neumática e hidráulica.

     

 

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