Conceptos Básicos de Neumática e Hidráulica 


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Hidráulica : Tanques y depósitos , accesorios , circuitos hidráulicos

OPERACIÓN DE COMPONENTES HIDRÁULICOS

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:

  1. Depósito o receptor
  2. Bomba o compresor
  3. Líneas (cañerías, tubería, o manguera flexible)
  4. Válvula de control direccional
  5. Dispositivo de impulsión

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.

GATO HIDRÁULICO

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.

 

Fig. : Gato hidráulico

La tapa de este pistón forma una plataforma de elevación.

Si una fuerza de 25 libras se aplica al pistón de la entrada, ésta produce una presión de 5 psi en el líquido, es decir, por supuesto, si una suficiente cantidad de fuerza resistente está actuando contra la tapa del pistón de salida. Despreciando las pérdidas por fricción, esta presión que actúa en el área de 250 pulgadas cuadradas del pistón de salida soportará una fuerza resistente de 1.250 libras. Es decir, esta presión podría vencer una fuerza ligeramente inferior a 1.250 libras.

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.

Mientras que se levanta el pistón de entrada ( visión A en la figura), la válvula 1 es cerrada por la presión de retorno del peso del pistón de salida. Al mismo tiempo, la válvula 2 es abierta por el cabezal de líquido en el depósito. Esto fuerza el líquido dentro del cilindro 1.

Fig. : Gato hidráulico. (A) - Subida de pistón (B) - Bajada de pistón.

Cuando se baja el pistón de la entrada (visión B en la figura), una presión se desarrolla en el cilindro 1. Cuando esta presión excede el cabezal en el depósito, se cierra la válvula 2. Cuando excede la presión de retorno del pistón de la salida, abre la válvula 1, forzando el líquido en la tubería.

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.

Fig. : Gato hidráulico

En este sistema, en la vista de figura anterior, un reservorio y un sistema de válvulas ha sido agregado a la palanca hidráulica de Pascal para accionar un pequeño cilindro o bomba continuamente, y elevar un gran pistón o un actuador un poco por cada accionamiento o carrera. El diagrama A muestra una carrera de entrada. Una válvula de retención de salida cierra por presión una carga, y una válvula de retención de entrada se abre de manera que el líquido del tanque de reserva llene la cámara de bombeo. El diagrama B muestra la bomba accionando hacia abajo. Una válvula de retención de entrada cierra por presión y una válvula de retención de salida se abre. Mas líquido es bombeado bajo un gran pistón para elevarlo. Para bajar la carga, una tercera válvula (válvula aguja) se abre, la que abre un área debajo del pistón grande hacia el tanque de reserva. La carga luego empuja el pistón hacia abajo y fuerza al líquido hacia el tanque de reserva

FRENOS HIDRÁULICOS

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.

Fig. : Sistema múltiple de pistones

Observe que la presión desarrollada por la fuerza aplicada al pistón de entrada (1) será transmitida sin pérdidas a ambos pistones de salida (2 y 3), y que la fuerza resultante en cada pistón es proporcional a su área. La multiplicación de fuerzas del pistón de entrada a cada pistón de salida se rige de acuerdo con los mismos principios explicados antes.

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.

Fig. : Sistema de frenos del automóvil.

Cuando el pedal de freno es accionado, la presión sobre el pedal mueve el pistón dentro del cilindro maestro, forzando y desplazando al líquido de frenos desde el cilindro maestro a través de las tuberías y de las mangueras flexibles hacia los cilindros de las ruedas. Los cilindros de las ruedas contienen dos pistones de salida opuestos, cada unos de los cuales están fijados a una zapata de freno ubicada dentro del tambor de freno. Cada pistón de salida empuja la zapata contra la pared del tambor de freno, retardando así la rotación de la rueda. Cuando la presión sobre el pedal es liberada, los resortes en las zapatas vuelven los pistones de cilindro de rueda a sus posiciones liberadas. Esta acción fuerza al fluido o líquido de freno desplazado a retornar a través de las mangueras flexibles y de las tuberías al cilindro maestro.

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.

ACUMULADORES

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 energía
  • Antigolpe de ariete
  • Antipulsaciones
  • Compensador de fugas
  • Fuerza auxiliar de emergencias
  • Amortiguador de vibraciones
  • Transmisor de energía de un fluido a otro

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:

  • No cargar nunca un acumulador con oxígeno o con aire.
  • Descargar la presión hidráulica antes de quitar el acumulador.
  • Antes de despiezar el acumulador quitar presión hidráulica y presión de gas

Fluidos hidráulicos . Propiedades requeridas .

Tanques y Depósitos.

La función natural de un tanque hidráulico o tanque de reserva es contener o almacenar el fluido de un sistema hidráulico. En qué consiste un tanque hidráulico ?, un tanque de hidráulico almacena un líquido que no está siendo usado en un sistema hidráulico. El mismo además permite la extracción de los gases y materiales extraños del líquido. Un tanque de reserva construido apropiadamente debería poder disipar el calor del aceite, separar el aire del aceite, y extraer los contaminantes que se encuentran en el mismo. Los tanques de reserva varían en tamaño de construcción desde pequeños tanques de acero estampado a grandes unidades fabricadas en hierro fundido. Los tanques grandes deben estar arenados luego de que todas las soldaduras hayan finalizado y luego enjuagados y limpiados al vapor. Al hacer esto se remueve los restos de soldadura y virutas que queden del estampado en caliente del acero. La superficie interna luego debe ser sellada con una pintura compatible con el fluido hidráulico. Un esmaltado de motor rojo es apropiado para aceites de petróleo y sella cualquier suciedad residual no removida por el enjuague y la limpieza al vapor.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.

Forma. La figura siguiente muestra algunas de las características de diseño de un tanque de reserva. El mismo debería ser alto y angosto en lugar de profundo y ancho. El nivel de aceite deberá estar tan alto como sea posible sobre la apertura de la línea de succión de la bomba. Esto evita que el vacio en la apertura de la línea cause efectos de remolino o vórtices, lo que significaría que el sistema está probablemente tomando aire. El aceite aireado no transmitirá potencia correctamente debido a que el aire es compresible. Al aceite aireado tiene una tendencia a deteriorarse y perder su habilidad de lubricación.

Tamaño. Los tamaños de los tanques de reserva variaran. Sin embargo, un tanque de reserva debe ser lo suficientemente grande como para que el mismo tenga una reserva de aceite con todos los cilindros en un sistema completamente extendidos. Una reserva de aceite debe ser lo suficientemente elevada para evitar vórtices en la apertura de la línea de succión. Un tanque de reserva debe tener espacio suficiente para almacenar todo el aceite cuando los cilindros están retraídos, además disponer de espacio para la expansión cuando el aceite está caliente.

La mayoría de los tanques de equipos móviles están localizados sobre las bombas. Esto crea una condición de entrada inundada a la bomba. Esta condición reduce la posibilidad de cavitación de la bomba (una condición donde todo el espacio disponible no está llenado y con frecuencia partes de metal se erosionan). Al inundar la entrada se reduce además la tendencia a la formación de remolinos en la apertura de la succión de la bomba.

La localización de un tanque de reserva afecta a la disipación de calor. Idealmente, todos los tanques deberían estar expuestos al aire exterior. El calor se mueve desde la sustancia caliente a la sustancia fría; la transferencia de calor es mayor cuando hay una gran diferencia de temperatura. Los tanques de reserva son construidos dentro de los brazos de carga frontal y son muy efectivos en la transferencia del calor.

Un tamaño común de reservorio sobre una máquina móvil es un tanque de 20 o 30 galones usado con un sistema de GPM. Muchos sistemas de 10GPM operan con tanque de 2 o 3 galones debido a que estos sistemas móviles operan intermitentemente, no en forma constante. Para máquinas estacionarias, una regla de buen cubero es que el tamaño del tanque de reserva debería ser dos o tres veces la salida de la bomba por minuto. Un tanque de gran tamaño es altamente deseable para enfriamiento. Las grandes áreas de superficie expuestas al aire exterior transfieren calor desde el aceite. Además, un tanque grande ayuda a sedimentar los contaminantes y separar el aire al reducir la recirculación.

Ventilación y presurización. La mayoría de los tanques de reserva son ventilados hacia la atmósfera. Una abertura de ventilación permite que el aire salga o entre al espacio sobre el aceite a medida que el nivel de aceite sube o baja. Esto mantiene una presión atmosférica constante sobre el aceite. Una tapa de filtro de tanque de reserva con un elemento filtrante, es con frecuencia usado como venteo. El tanque se completa con un indicador de nivel, un filtro de respiración que impide la entrada de aire sucio.

Algunos tanques de reserva son presurizados, usando un simple válvula de control de presión en lugar de una de venteo. Una válvula de control de presión permite automáticamente al aire filtrado ingresar al tanque pero evita liberación de aire a no ser que la presión alcance un nivel prefijado. Un tanque de reserva presurizado tiene lugar cuando el aceite y el aire en un tanque se expanden debido  al calor

Conexiones de línea. La bomba de succión y las líneas de retorno del tanque deben estar fijadas con bridas o mediante acoples de alta resistencia soldados. Los acoples estándar usualmente no son apropiados debido a que se dilatan al ser soldados. Si una línea de succión es conectada en la parte inferior, el acople se deberá extender bien por arriba de la base, dentro del tanque; la suciedad residual no entrará a la línea de succión cuando un tanque o regulador está limpio. La línea de retorno deberá descargar cerca de la parte inferior del tanque siempre debajo del nivel de aceite. La cañería es usualmente cortada en un ángulo de 45° y el flujo apuntado hacia afuera de la línea de succión para mejorar la circulación y el enfriamiento.

Una placa separadora (bafle)  es usada usualmente para separar la línea de succión de la línea de retorno. Esto hace que el aceite de retorno circule alrededor de una pared exterior para su enfriamiento antes de que el mismo llegue a la bomba nuevamente. La placa separadora debería ser de aproximadamente dos tercios de la altura del tanque. Las esquinas inferiores son cortadas en forma diagonal para permitir la circulación. Las mismas deberán ser mayores en área que el área transversal de la línea de succión. De otra manera el nivel de aceite entre el lado de retorno y el lado de salida debe ser desparejo. La separación evita además que el aceite desborde o salpique alrededor cuando la máquina se está moviendo. Muchos tanques de reserva grandes son provistos con separadores transversales para proporcionar enfriamiento y evitar movimientos excesivos del líquido.

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.

Mantenimiento. Los procedimientos de mantenimiento incluyen el drenaje y limpieza del tanque de reserva. El tanque debería tener un fondo en forma de plato que esté provisto con una conexión o válvula de drenaje en su nivel mas bajo; este dispositivo de conexión debe estar empalmado con el interior del tanque para permitir el drenaje completo. En tanques grandes, las placas de acceso pueden estar atornilladas sobre los extremos para su fácil remoción y servicio. El tanque de reserva debería disponer de un indicador de nivel vidriado para controlar el nivel de aceite y prevenir daños por pérdida de lubricación.

Los reguladores en una línea de succión pueden no requerir tanto mantenimiento. Sin embargo, el elemento de filtro de una línea de retorno requerirá cambio periódico. Por lo tanto, dicho filtro no deberá estar dentro del tanque de reserva. Cuando un tanque de reserva es presurizado por aire comprimido, la humedad puede volverse un problema de mantenimiento. El tanque deberá tener una trampa de agua para la remoción de la humedad; la misma deberá ser localizada donde pueda ser inspeccionada en forma diaria.

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.

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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