Hidráulica : Tanques y depósitos , accesorios , circuitos hidráulicos
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Para transmitir y controlar potencia a través de los líquidos a presión, se requiere un conjunto de componentes interconectados. Se refiere comúnmente al conjunto como sistema. El número y el conjunto de componentes varían de sistema a sistema, dependiendo del uso particular. En muchas aplicaciones, un sistema principal de potencia alimenta a varios subsistemas, que se refieren a veces como circuitos. El sistema completo puede ser una pequeña unidad compacta; más a menudo, sin embargo, los componentes se ubican en puntos extensamente separados para un conveniente control y operación del sistema. Los componentes básicos de un sistema de potencia fluida son esencialmente iguales, sin importar si el sistema utiliza un medio hidráulico o neumático. Hay cinco componentes básicos usados en un sistema hidráulico. Estos componentes básicos son:
Varios usos de la potencia hidráulica requieren solamente un sistema simple; es decir, un sistema que utiliza solamente algunos componentes además de los cinco componentes básicos. Algunos de estos usos se presentan en los párrafos siguientes. Explicaremos la operación de estos sistemas brevemente ahora así usted sabrá el propósito de cada componente y puede entender mejor cómo la hidráulica se utiliza en la operación de estos sistemas.
El gato hidráulico es quizás una de las formas más simples de un sistema de potencia fluida. Moviendo la manivela de un pequeño dispositivo, un individuo puede levantar una carga que pesa varias toneladas. Una pequeña fuerza inicial ejercida en la manija es transmitida por un líquido a un área mucho más grande. Para entender esto mejor, vea la figura a continuación. El pequeño pistón de la entrada tiene un área de 5 pulgadas cuadradas y está conectado directamente con un cilindro grande con un pistón en la salida que tiene un área de 250 pulgadas cuadradas.
Una fuerza de la entrada de 25 libras se ha transformado en una fuerza de funcionamiento de más de media tonelada; sin embargo, para que esto sea verdad, la distancia recorrida por el pistón de entrada debe ser 50 veces mayor que la distancia que se desplazó el pistón de la salida. Así, para cada pulgada que el pistón de la entrada se mueva, el pistón de salida se moverá solamente 1/50 de pulgada. Esto sería ideal si el pistón de la salida necesitara moverse solamente una distancia corta. Sin embargo, en la mayoría de los casos, el pistón de salida tendría que ser capaz de moverse una distancia mayor para servir para una aplicación práctica. El dispositivo mostrado en la figura arriba no es capaz de mover el pistón de salida más lejos que lo mostrado; por lo tanto, algún otro medio se debe utilizar para levantar el pistón de salida a una mayor altura. El pistón de la salida se puede levantar más arriba y mantenerse en esta altura si componentes adicionales son instalados según puede verse en la figura a continuación. En esta ilustración se diseña el gato para poder ser levantado, ser bajado, o sostenerse en una altura constante. Estos resultados son logrados introduciendo un número de válvulas y también una fuente de la reserva de líquido que se utilizará en el sistema. Note que este sistema contiene los cinco componentes básicos: el depósito; cilindro 1, que sirve como bomba; válvula 3, que sirve como válvula de control direccional; cilindro 2, que sirve como el dispositivo de impulsión; y las líneas para transmitir el líquido a y desde los diversos componentes. Además, este sistema contiene dos válvulas, 1 y 2, cuyas funciones se explican seguidamente.
La presión del cilindro 1 se transmite así hacia el cilindro 2, donde actúa para levantar el pistón de salida con su plataforma de elevación adjunta. Cuando el pistón de entrada se levanta otra vez, la presión en el cilindro 1 cae debajo de la disponible en el cilindro 2, haciendo la válvula 1 cerrarse. Esto evita la vuelta del líquido y sostiene el pistón de la salida con su plataforma de la elevación fijada en su nuevo nivel. Durante este movimiento, la válvula 2 se abre otra vez permitiendo un nuevo suministro de líquido en el cilindro 1 para el movimiento siguiente (hacia abajo) de potencia del pistón de entrada. Así, por movimientos repetidos del pistón de entrada, la plataforma de elevación puede ser levantada progresivamente. Para bajar la plataforma de elevación, la válvula 3 se abre, y el líquido del cilindro 2 se vuelve al depósito.
El sistema de frenos hidráulico usado en el automóvil es un sistema múltiple de pistones. Un sistema múltiple de pistones permite que las fuerzas sean transmitidas a dos o más pistones de la manera indicada en la figura siguiente.
El sistema de frenos hidráulico de los cilindros maestros hasta los cilindros de cada rueda en la mayoría de los automóviles funciona de una manera similar al sistema ilustrado en la figura anterior.
La fuerza aplicada al pedal de freno produce una fuerza proporcional en cada uno de los pistones de salida, los que a su vez accionan las zapatas produciendo el efecto de fricción en las ruedas al girar para retardar la rotación de las mismas. Según lo mencionado previamente, el sistema de frenos hidráulico en la mayoría de los automóviles funciona de una manera similar, según las indicaciones en la figura arriba. Está más allá del alcance de este sitio discutir los diferentes sistemas de frenos.
Los fluidos usados en los sistemas hidráulicos no pueden ser comprimidos como los gases y así almacenarse para ser usados en diferentes lugares o a tiempos distintos. Un acumulador consiste en un depósito destinado a almacenar una cantidad de fluido incompresible y conservarlo a una cierta presión mediante una fuerza externa. El fluido hidráulico bajo presión entra a las cámaras del acumulador y hace una de estas tres funciones: comprime un resorte, comprime un gas o levanta un peso, y posteriormente cualquier caída de presión en el sistema provoca que el elemento reaccione y fuerce al fluido hacia fuera otra vez. Los acumuladores, en los cilindros hidráulicos se pueden aplicar como:
Acumulador de contrapeso
El acumulador cargado por peso, ejerce una fuerza sobre el líquido almacenado, por medio de grandes pesos que actúan sobre el pistón o émbolo. Los pesos pueden fabricarse de cualquier material pesado, como hierro, concreto e incluso agua. Generalmente los acumuladores cargados por peso son de gran tamaño; en algunos casos su capacidad es de varios cientos de litros. Pueden prestar servicio a varios sistemas hidráulicos al mismo tiempo y usualmente son utilizados en fábricas y sistemas hidráulicos centrales. Su capacidad para almacenar fluidos a presión relativamente constante, tanto si se encuentran llenos como casi vacíos, representa una ventaja con respecto a otros tipos de acumuladores que no poseen esta característica. La fuerza aplicada por el peso sobre el líquido es siempre la misma independiente de la cantidad de fluido contenido en el acumulador. Una circunstancia desventajosa de los acumuladores cargados por peso es que generan sobrepresiones. Cuando se encuentran descargando con rapidez y se detienen repentinamente, la inercia del peso podría ocasionar variaciones de presión excesivas en el sistema. Esto puede producir fugas en las tuberías y accesorios, además de causar la fatiga del metal, lo cual acorta la vida útil de los componentes. Acumulador cargado por muelle
En los acumuladores cargados por resorte, la fuerza se aplica al líquido almacenado por medio de un pistón sobre el cual actúa un resorte. Suelen ser más pequeños que los cargados por peso y su capacidad es de sólo algunos litros. Usualmente dan servicio a sistemas hidráulicos individuales y operan a baja presión en la mayoría de los casos. Mientras el líquido se bombea al interior del acumulador, la presión del fluido almacenado se determina por la compresión del resorte. Si el pistón se moviese hacia arriba y comprimiera diez pulgadas al resorte, la presión almacenada sería mayor que en el caso de un resorte comprimido tan sólo cuatro pulgadas. A pesar de los sellos del pistón, cierta cantidad de fluido almacenado podría infiltrarse al interior de la cámara del resorte del acumulador. Para evitar la acumulación de fluido, un orificio de respiración practicado en la cámara permitirá la descarga del fluido cuando sea necesario. Acumulador de Pistón
Un acumulador de tipo pistón consiste en un cuerpo cilíndrico y un pistón móvil con sellos elásticos. El gas ocupa el volumen por encima del pistón y se comprime cuando el fluido entra al interior del cuerpo cilíndrico. Al salir el fluido del acumulador la presión del gas desciende. Una vez que todo el líquido ha sido descargado, el pistón alcanza el final de su carrera y cubre la salida manteniendo el gas dentro del acumulador. Acumulador de gas no separado
Los acumuladores de gas no separado consisten en un depósito en el que se coloca un volumen de fluido y a continuación se le da la presión al gas. Normalmente se instalan en circuitos donde el volumen de aceite tiene un máximo y un mínimo dentro del acumulador. Este acumulador es sencillo de construcción, económico y se puede realizar para caudales medianos. Tiene el inconveniente de que existe el peligro de que el gas se mezcle con el aceite. Acumulador de Diafragma
El acumulador de tipo diafragma se compone de dos hemisferios metálicos atornillados juntos, pero cuyo volumen interior se halla separado por un diafragma de hule sintético, el gas ocupa el hemisferio superior. Cuando el fluido entra en el espacio inferior, el gas se comprime. Al descargar todo el líquido, el diafragma desciende hasta la salida y mantiene el gas dentro del acumulador. Este tipo de acumuladores son para caudales relativamente pequeños y presiones medias. Acumulador de vejiga
El acumulador de tipo vejiga se compone de un casco de metal en cuyo interior se encuentra una vejiga de hule sintético que contiene al gas. Cuando el fluido entra al interior del casco, el gas en la vejiga se comprime. La presión disminuye conforme el fluido sale del casco, una vez que todo el líquido ha sido descargado, la presión del gas intenta empujar la vejiga a través de la salida del acumulador. Sin embargo, una válvula colocada encima del puerto de salida, interrumpe automáticamente el flujo cuando la vejiga presiona el tapón de la misma. Observaciones:
La función natural de un tanque hidráulico es contener o almacenar el fluido de un sistema hidráulico. En qué consiste un tanque hidráulico ?, en un sistema hidráulico industrial, en donde no hay problemas de espacio y puede considerarse la obtención de un buen diseño, los tanques hidráulicos consisten de cuatro paredes (normalmente de acero), un fondo con desnivel, una tapa plana con una placa para montaje, cuatro patas, líneas de succión, retorno y drenaje; tapón de drenaje, indicador de nivel de aceite; tapón para llenado y respiración; una cubierta de registro para limpieza y un tabique separador o placa deflectora. Además de funcionar como un contenedor de fluido, un tanque también sirve para enfriar el fluido, permitir asentarse a los contaminantes y el escape del aire retenido. Cuando el fluido regresa al tanque, una placa deflectora bloquea el fluido de retorno para impedir su llegada directamente a la línea de succión. Así se produce una zona tranquila, la cual permite sedimentarse a las partículas grandes de suciedad, que el aire alcance la superficie del fluido y da oportunidad de que el calor se disipe hacia las paredes del tanque. La desviación del fluido es un aspecto muy importante en la adecuada operación del tanque. Por esta razón, todas las líneas que regresan fluido al tanque deben colocarse por debajo del nivel del fluido y en el lado de la placa deflectora opuesto al de la línea de succión. La mayoría de los sistemas hidráulicos de tamaño pequeño a mediano utilizan los tanques o depósitos como base de montaje para la bomba, motor eléctrico, válvula de alivio, y a menudo otras válvulas de control. Este conjunto se llama. "Unidad de bombeo", "Unidad Generada de Presión" etc. La tapa del tanque puede ser removida para permitir la limpieza e inspección. Cuando esta no es la lateral y constituye la parte superior del tanque lleva soldadas cuplas para recibir la conexión de tuberías de retorno y drenaje. Se colocan guarniciones alrededor de las tuberías que pasan a través de la tapa para eliminar la entrada de aire.
El tanque se completa con un indicador de nivel, un filtro de respiración que impide la entrada de aire sucio. La posición de los bafles dentro del tanque es muy importante (ver fig.2-7). En primer lugar establecer la separación entre la línea de succión y la descarga de retorno.
En segundo lugar la capacidad de radiación de temperatura del tanque puede ser incrementada si el bafle se coloca de forma tal que el aceite circule en contacto con las paredes externas como lo muestra la figura 2-7. Para sistemas corrientes el tamaño del tanque debe ser tal que el aceite permanezca en su interior de uno a tres minutos antes de recircular. Esto quiere decir que sí el caudal de la bomba es de 60 litros por minuto, el tanque debe tener una capacidad de 60 a 180 litros. En muchas instalaciones, la disponibilidad de espacio físico no permite el empleo de tanques de gran capacidad, especialmente en equipos móviles. Las transmisiones hidrostáticas en lazo cerrado, constituyen una excepción a la regla, ordinariamente emplean tanques relativamente pequeños. Tener un tanque muy grande a veces puede ser una desventaja en sistemas que deben arrancar a menudo u operar en condiciones de bajas temperaturas.
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Accesorios
para tanques.
En la Fig.2-8 vemos un nivel visible para tanques, este elemento construido en plástico permite que el operador no solo verifique el nivel sino también la condición de emulsión del aceite.
| Tapa
de llenado : el orificio de llenado debe ser cubierto por
una tapa preferentemente retenida por una cadena. En la figura 2-9
ilustramos un tipo que usa una coladera para filtrar el aceite que
se verterá hacia el tanque. |
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| Los depósitos hidráulicos están venteados a la atmósfera. Por ello la conexión de venteo debe estar protegida por un filtro. Cuando los sistemas operan en una atmósfera limpia puede emplearse un filtro de respiración de bajo costo como el de la figura 2-10. Pero si se opera en atmósferas muy contaminadas deben emplearse filtros de alta calidad capaces de retener partículas mayores de 10 micrones. |
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Coladera de Succión: La mayoría de las bombas utilizan para su protección un filtro destinado a retener partículas sólidas en la aspiración La practica usual cuando se emplean aceites minerales estándar, es utilizar coladeras de malla metálica capaces de retener partículas mayores de 150 micrones. Cuando se emplean fluidos ignífugos que tienen un peso especifico superior al aceite, es preferible emplear coladeras de malla 60 capaces de retener partículas mayores de 200 micrones, para evitar la cavitación de la bomba. Con la introducción de bombas y válvulas con alto grado de precisión, operación a presiones elevadas y altas eficiencias, el empleo de la coladera de aspiración no es protección suficiente para el sistema, si se quiere obtener una larga vida del mismo. El propósito de la filtración no es solo prolongar la vida útil de los componentes hidráulicos, si no también evitar paradas producidas por la acumulación de impurezas en las estrechas holguras y orificios de las modernas válvulas y servoválvulas . Para prolongar la vida útil de los aparatos hidráulicos es de vital importancia emplear aceites limpios, de buena calidad y no contaminado. La limpieza de los aceites se puede lograr reteniendo las partículas nocivas o dañinas y efectuando los cambios de aceite en las fechas y periodos que establecen los fabricantes o que determinan las especificaciones técnicas del aceite y/o elementos del circuito. Los elementos que constituyen contaminantes para el aceite pueden ser entre otros:
y el elemento que debe retener estos contaminantes es el filtro. Para evitar que los aceites entren en contacto con elementos contaminantes; puede procurarse lo siguiente:
Elementos filtrantes La función de un filtro mecánico es remover la suciedad de un fluido hidráulico. Esto se hace al forzar la corriente fluida a pasar a través de un elemento filtrante poroso que captura la suciedad. Los elementos filtrantes se dividen en dos tipos: de profundidad y de superficie.
La figura 2-11 no muestra un filtro micronico que puede ser empleado en el retorno o el envío, el elemento filtrante de papel impregnado en fibra de vidrio, metal sinterizado, u otros materiales puede ser removido desenroscando el recipiente. Cuando la calda de presión a través del elemento se incrementa, para evitar el colapso del mismo una válvula de retención se abre dando paso libre al aceite.
Una configuración popular y económica es el filtro en línea de la figura 2-12 que también lleva incluida una válvula de retención, su desventaja consiste en que hay que desmontar la tubería para su mantenimiento.
Algunos circuitos de filtrado. Los circuitos que veremos a continuación utilizan filtros micrónicos de 10 micrones. Elementos tipo profundidad : los elementos tipo profundidad obligan al fluido a pasar a través de muchas capas de un material de espesor considerable. La suciedad es atrapada a causa de la trayectoria sinuosa que adopta el fluido. El papel tratado y los materiales sintéticos son medios porosos comúnmente usados en elementos de profundidad.
Elementos de tipo superficie : En un elemento filtrante tipo superficie la corriente de fluido tiene una trayectoria de flujo recta, a través de una capa de material. La suciedad es atrapada en la superficie del elemento que está orientada hacia el flujo del fluido. La tela de alambre y el metal perforado son tipos comunes de materiales usados en los elementos de superficie. La figura 2-13 vemos un filtro instalado a la salida de la bomba y delante de la válvula reguladora de presión y alivio. Estos filtros deben poseer una estructura que permite resistir la máxima presión del sistema. Por seguridad deben poseer una válvula de retención interna. La máxima perdida de carga recomendada con el elemento limpio es de 5 PSI.
En el retorno por alivio. (ver Fig. 2-15) En este punto Fig.2-14 puede emplearse un filtro de baja presión. Es una disposición Ideal cuando trabajan válvulas de control de flujo en serie y el caudal de exceso se dirige vía la válvula de alivio permanentemente a tanque. La máxima perdida de carga recomendada es de 2 PSI con el elemento limpio. |
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| En la línea de retorno.
El aceite que retorna del sistema puede pasar a través de un filtro cuando se dirige a tanque.
CUIDADO: Cuando seleccione el tamaño de un filtro así , recuerde que el caudal de retorno puede ser mucho mayor que el de la bomba, debido a la diferencia de secciones de ambos lados de los cilindros. |
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