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lunes, 13 de diciembre de 2021

BOMBAS HIDRÁULICAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO

BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO



Gracias al movimiento cíclico constante de su parte móvil, una bomba de desplazamiento positivo es capaz de entregar un caudal constante de líquido y soportar (dentro de sus límites) cualquier presión que se requiera.

En otras palabras, una bomba de desplazamiento positivo genera caudal, pero a alta presión.

Una bomba de desplazamiento positivo consiste básicamente de una parte móvil alojada dentro de una carcasa. La bomba mostrada en la figura tiene un émbolo como parte móvil. El eje del émbolo está conectado a una máquina de potencia motriz capaz de producir un movimiento alternativo constante del émbolo. El puerto de entrada está conectado al depósito, en los puertos de entrada y salida, una bola permite que el líquido fluya en un solo sentido a través de la carcasa. Estas bombas las constituyen las del tipo oleohidráulico, es decir, bombas que además de generar el caudal, lo desplazan al sistema obligándolo a trabajar, este fenómeno se mantiene aún a elevadas presiones de funcionamiento.  

Enlace a video      https://youtu.be/4ubyK9IY3DM

Enlace a video  https://youtu.be/pO1t0TAbu5s

Las bombas pueden clasificarse además dependiendo de la forma en que se desplaza la parte móvil de éstas; si el desplazamiento es rectilíneo y alternado, entonces se llamarán oscilantes, y si el elemento móvil gira se llamarán rotativas.

Se dice que una bomba es de desplazamiento no positivo cuando su órgano propulsor no contiene elementos móviles; es decir, que es de una sola pieza, o de varias ensambladas en una sola.

A este caso pertenecen las bombas centrífugas, cuyo elemento propulsor es el rodete giratorio. En este tipo de bombas, se transforma la energía mecánica recibida en energía hidro-cinética  imprimiendo a las partículas cambios en la proyección de sus trayectorias y en la dirección de sus velocidades. Es muy importante en este tipo de bombas que la descarga de las mismas no tenga contrapresión pues si la hubiera, dado que la misma regula la descarga, en el caso límite que la descarga de la bomba estuviera totalmente cerrada, la misma seguiría en movimiento NO generando caudal alguno trabajando no obstante a plena carga con el máximo consumo de fuerza motriz.

Por las características señaladas, en los sistemas hidráulicos de transmisión hidrostática de potencia hidráulica, NUNCA se emplean bombas de desplazamiento NO positivo.

Se dice que una bomba es de desplazamiento positivo, cuando su órgano propulsor contiene elementos móviles de modo tal que por cada revolución se genera de manera positiva un volumen dado o cilindrada, independientemente de la contrapresión a la salida. En este tipo de bombas la energía mecánica recibida se transforma directamente en energía de presión que se transmite hidrostáticamente en el sistema hidráulico.

En las bombas de desplazamiento positivo siempre debe permanecer la descarga abierta, pues a medida que la misma se obstruya, aumenta la presión en el circuito  hasta alcanzar valores que pueden ocasionar la rotura de la bomba; por tal causal siempre  se debe colocar inmediatamente a la salida de la bomba una válvula de alivio o de seguridad  con una descarga a tanque y con registro de presión. 

Tipos de Bombas de Desplazamiento Positivo

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Fig.     

Tipos  de  bombas  de  desplazamiento positivo


GRUPO MOTRIZ HIDRÁULICO

GRUPO DE ACCIONAMIENTO HIDRÁULICO

Sirve  para  suministrar  la  potencia  hidráulica al  sistema,  garantizándole   un  caudal  casi  constante  a  la  presión  requerida.

Actividad:   Observa   el   video “ GRUPO DE ACCIONAMIENTO HIDRÁULICO”    en  el  enlace  https://youtu.be/E8eL3Txe6nQ


El grupo de accionamiento comprende: 

La bomba hidráulica (de engranajes u otro tipo),el motor eléctrico , el  depósito, La válvula limitadora de presión (válvula de seguridad) y  las tuberías rígidas y los racores.

La bomba de engranajes (1) está unida al motor eléctrico (3) por medio de un embrague (2).  La bomba de engranajes, el deposito y a válvula de seguridad están unidos entre sí mediante tuberías rígidas. El extremo de las tuberías que penetra en el depósito se encuen¬tra por debajo del nivel del líquido, para que en ellas no pueda entrar aire. 

Símbolo

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                            Grupo de accionamiento

Actividad:   Observa   el   video “ GRUPO DE ACCIONAMIENTO HIDRÁULICO”    en  el  enlace  https://www.youtube.com/watch?v=E8eL3Txe6nQ

Actividad :   en esta  página  podrá  encontrar   todo  tipo  de  componente  hidráulico  y  de diferentes  fabricantes     http://www.olagorta.com

Para simplificar la representación gráfica de los elementos y tuberías en los sistemas hidráulicos se emplean símbolos. Cada símbolo muestra un elemento y su función, pero no el tipo de construcción. Para estandarizar su empleo, estos símbolos están normalizados

La norma ISO 1219 estandariza los elementos  y símbolos para  los sistemas fluido – técnico (como son los hidráulicos y neumáticos).  

Bomba hidráulica (bomba de engranajes) 

Elemento para transformar la energía mecánica en energía hidráulica 

Bomba hidráulica con un sentido de flujo de impulsión.

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Motor eléctrico   (Con velocidad casi constante) 

 

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Depósito  Ventilado; aquí, con dos tuberías debajo del nivel del líquido 

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Tuberías 

Los elementos hidráulicos se unen mediante tuberías: Tubería de trabajo (1) (para transmitir energía) o tubería de retorno, Tubería de pilotaje (2) (para accionar elementos hidráulicos) y tubería de fuga (3) (para la salida de las fugas de líquido que se producen) 

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 Uniones de tuberías   desmontables (p. ej, por rosca),  fijas (p. ej, soldadas) 

 

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Cruce de tuberías 

Tuberías cruzadas que no están unidas  

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Válvula limitadora de presión 

Válvula para limitar fa presión de trabajo (será tratada en el siguiente ejercicio)  

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Válvula de cierre 

Bloquea el paso del líquido en el sistema hidráulico 

 

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Grupo de accionamiento 

Bomba hidráulica (1) y motor eléctrico (2) sobre un eje (3); Válvula limitadora de presión (4) (válvula de seguridad);

Depósito (5); tuberías; (6) debajo del nivel del líquido. Se distingue como unidad por el marco de puntos y trazos (7), el manómetro y la tubería de succión. 

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Actividad: Observar detenidamente  de FESTO Hydraulics “BOMBA, VLP, DEPOSITO Y FILTRO”     https://youtu.be/LQiA5Wpyhb4


ACEITE HIDRÁULICO

 LÍQUIDO A PRESIÓN 

 ACEITE  HIDRÁULICO

El líquido a presión tiene que satisfacer diversas tareas en una instalación hidráulica: 

Debe transmitir la energía hidráulica 

Se genera en la bomba hidráulica; Se transforma en el cilindro o motor 

Debe lubricar todas las piezas de una instalación hidráulica (cojinetes, superficies de deslizamiento, etc.).

Debe evitar que las piezas interiores móviles  sean atacadas por la corrosión

Debe evacuar suciedades, abrasión, etc. 

Debe evacuar el calor 

 El líquido a presión debe satisfacer diversas exigencias mínimas. Estas ya están fijadas en la mayoría de los casos.

Actividad :   Observa   el   video   “   FLUIDO ACEITE HIDRÁULICO    ”    en  el  enlace    https://www.youtube.com/watch?v=_1YpNBW15MY

Aceite  hidráulico

Una selección adecuada del aceite asegura una vida y funcionamiento satisfactorios de los componentes del sistema, principalmente de las bombas y motores hidráulicos y en general de los actuadores.

Algunos de los factores especialmente importantes en la selección del aceite para el uso en un sistema hidráulico industrial, son los siguientes:

1. El aceite debe contener aditivos que permitan asegurar una buena característica antidesgaste. No todos los aceites presentan estas características de manera notoria.

2. El aceite debe tener una viscosidad adecuada para mantener las características de lubricante y limitante de fugas a la temperatura esperada de trabajo del sistema hidráulico.

3. El aceite debe ser inhibidor de oxidación y corrosión.

4. El aceite debe presentar características antiespumantes.

Para obtener una óptima vida de funcionamiento, tanto del aceite como del sistema hidráulico; se recomienda una temperatura máxima de trabajo de 65ºC. 

Actividad: realizar la lectura del capitulo 3 del manual de estudio TP501 sobre fluidos hidráulicos  y estudiar su clasificación, inflamabilidad y limites de viscosidad.


Actividad:   Complemente lo  estudiado  con  el  video  “Funciones y Propiedades del Fluido  ”  en  el  enlace https://www.youtube.com/watch?v=IfchQQdHPdI

Actividad: Observar video de FESTO Hydraulics “LIQUÍDO HIDRÁULICO”  EN EL ENLACE http://www.youtube.com/watch?v=IfchQQdHPdI

Actividad: HOJA DE DATOS TÉCNICOS DIVISIÓN INDUSTRIAL Aceite para Sistemas Hidráulicos  http://roshfrans.com/wordpress/wp-content/uploads/2012/02/01-HDT-HIDRAULICO-AW-ISO-VG-68-R3.pdf

Fig.  HOJA DE DATOS TÉCNICOS DIVISIÓN INDUSTRIAL


CLASIFICACIÓN  DE ACEITES HIDRÁULICOS MINERALES

HH : Aceites minerales sin aditivo, estos son productos de costo relativamente bajo que pueden ser usados en sistemas no críticos.

HL: Aceites minerales que contienen antioxidantes, estos aceites tienen una vida útil mas larga y dan mayor protección antioxidante que el aceite HH. Estos pueden ser usados en sistemas que no requieren desempeño anti desgaste.  

HV: Aceites con altos índice de viscosidad. Estos aceites se utilizan en casos de temperatura extremas o en casos en que es esencial que la viscosidad del aceite cambie lo menos posible


PARÁMETROS MÁS IMPORTANTES.

Temperatura de funcionamiento. 

Influyen sobre las propiedades físicas y químicas del fluido. Las altas temperaturas condicionan la vida útil del fluido, su resistencia de película, su viscosidad, etc. La temperatura baja puede presentar problemas debidos a dificultades en el bombeo. En transmisiones que trabajen al exterior pueden presentarse variaciones de -15ºC  a   +45ºC. 

Viscosidad 

Afecta a las propiedades de fricción del fluido, el funcionamiento de la bomba, la cavitación, el consumo de energía y la capacidad de control del sistema. 


COMPONENTES DE UN SISTEMA HIDRÁULICO

COMPONENTES DE UN  SISTEMA HIDRÁULICO

En esta lista de videos se describen los fundamentos de la oleo hidráulica, los componentes más importantes, circuitos hidráulicos simulados en Fluid Sim H

https://youtube.com/playlist?list=PLHTERkK4EZJrRX0CoeyKJ3x9879aBwOga

Video  de  apoyo  SIMULACIÓN DE CIRCUITOS HIDRÁULICOS 

https://youtu.be/1uAYRoQfU48

Representación esquemática de la cadena de mando. Grupo de accionamiento. Líquido a presión, Deposito. Filtro Tipos y criterios para selección de bombas. Bombas de engranajes, bombas de paletas. Construcción, funcionamiento y simbología de los elementos de mando. Válvulas de vías. Construcción, funcionamiento y simbología de los elementos de control: Objeto, descripción de funcionamiento, aplicación y simbología. Válvula antirretorno  y antirretorno  desbloqueable hidráulicamente. Válvula reguladora de caudal en una vía y de dos vías. Válvula de estrangulación y antirretorno. Válvula reguladora de presión. Válvula de secuencia. Construcción, funcionamiento y selección de cilindros y motores hidráulicos. Cilindros lineales. Motores hidráulicos. Símbolos de elementos hidráulicos según ISO 1219. Criterios para localizar fallas en los sistemas hidráulicos. (8 Horas).

Al finalizar esta unidad  el estudiante estará en capacidad de: 

Identificar cada uno de los componentes de los sistemas hidráulicos, conociendo su principio de funcionamiento, simbología y aplicación.

Comprender los fundamentos de diseño, criterios de selección y operación de los sistemas hidráulicos con aplicación en la industria.

Montar y  diseñar sistemas de control hidráulico, seleccionando técnicamente los componentes y siguiendo las normas de seguridad en el campo eléctrico.

Actuar de acuerdo con los principios éticos, morales y de seguridad necesarios para el correcto desempeño  profesional en la empresa.

2.1  REPRESENTACIÓN ESQUEMÁTICA DE LA CADENA DE MANDO

En los sistemas hidráulicos se genera un caudal constante de aceite en el grupo de accionamiento el cual es controlado por válvulas de vías, reguladoras de presión o de caudal para por fin ser llevado al actuador que es quien realiza el trabajo requerido.

                     Fig.  Estructura  de un  sistema  hidráulico  sencillo 

Actividad: Observar detenidamente de FESTO Hydraulics “ESTRUCTURA SISTEMA HIDRÁULICO”    https://youtu.be/J12hDV9FF88

                      Fig.  Sistema hidráulico simbólico       Vs esquemático

Actividad: Observar el video de FESTO Hydraulics  “ESQUEMA Y APLICACIÓN DE SISTEMAS HIDRÁULICOS”     en  el  enlace    https://youtu.be/EU5DsMaj5Lo

Actividad: Observar detenidamente de FESTO Hydraulics “REGULACIÓN Y ACCIONAMIENTOS”     https://youtu.be/2KBG1XTvt1s



DISEÑO DE UN SISTEMA HIDRÁULICO

DISEÑO DE UN SISTEMA HIDRÁULICO SENCILLO   

Calcula  las  dimensiones  de los  principales  componentes  de  un  sistema  hidráulico. 

A partir de la información dada es posible diseñar un circuito hidráulico sencillo. Se indica a continuación la forma en que se debe proceder para hacerlo.

Para diseñar un circuito, la primera consideración es sobre el trabajo que se debe realizar. Este trabajo puede ser levantar un peso, girar una herramienta o bloquear algún elemento. El trabajo determina el tipo de actuador que hay que utilizar.
Probablemente el primer paso será la selección del actuador.   Si los requerimientos fuesen simplemente el levantar una carga, un cilindro hidráulico colocado bajo ella haría el trabajo, la longitud de carrera del cilindro seria, por lo menos, igual a la distancia de desplazamiento de la carga. Su superficie se determinaría mediante la fuerza requerida para elevar la carga y la presión de funcionamiento deseada. Supongamos que un peso de 5000 Kgf ha de elevarse a una altura de 1 m y que la presión máxima de funcionamiento debe limitarse a 50 Kgf/cm2. un cilindro de 100 cm2 que permitiría levantar la carga a 50 Kgf/cm2 proporcionando  la capacidad de elevación.
El desplazamiento hacia arriba y hacia abajo del cilindro seria controlado mediante una válvula direccional. Si la carga debe detenerse en puntos intermedios de su trayecto, la válvula direccional deber tener una posición neutral en la cual el caudal de aceite del lado inferior del pistón quede bloqueado, para soportar el peso sobre el cilindro. La velocidad a la cual debe desplazarse la carga determina el tamaño de la bomba. El pistón de 100 cm2 desplaza 100 cm3 por cada cm que se levanta. El mover el cilindro 10 cm requerirá 1000 cm3 de aceite. Si hay que moverlo a razón de 10 cm por segundo, requerirá 1000 cm3 de aceite por segundo o 60 Lt/min. Como las bombas generalmente se dimensionan en galones por minuto, será necesario dividir 60/3,785  para obtener el valor en galones por minuto;  60/3,785 =  16 GPM.     
Para impedir la sobrecarga del motor eléctrico y para proteger la bomba y otros componentes contra una presión excesiva, debida a sobrecargas o bloqueo, se monta una válvula de seguridad para limitar la presión máxima del sistema, en la línea, entre la salida de la bomba y la entrada de la válvula direccional, calibrada a 1.1 veces la presión máxima de trabajo.  Un depósito dimensionado para contener aproximadamente de  3 veces la capacidad de la bomba en galones por minuto y tuberías de interconexión adecuadas completarán el sistema.

Actividad  de apoyo en Video  “FUNDAMENTOS DE HIDRÁULICA 4”    https://youtu.be/1iSljVjxWe0  


En este  video  se  explican   cálculos  básicos  del  sistema  hidráulico.
 
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1. ¿Cuál sería el diámetro del cilindro?  Se determina el área del cilindro     

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Con el fin de poder tener una capacidad  de carga  de   (5000Kgf)   con  se debe   usar un cilindro con  área de       Ac=  100 cm2

2. ¿Calcular el diámetro del cilindro?

 
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3. ¿Cuál es el caudal que debe llegar al cilindro?


Qavance = Qbomba=  Ac * v = 100cm2 *  10cm/s  =1000 cm3/s  

1Lt/s = 60Lt/min   = 1X10-3 m3/s=  16 gal/min
  

4. ¿Cuál es el diámetro de la línea de succión? 


Vts =  1m/s        velocidad de tubería de succión dentro del rango de velocidades sugeridas
Área de la tubería de succión            
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Diámetro de la tubería de succión             
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5. Diámetro de la tubería de trabajo (a presión).                                                                                                                              VTT= 3 m/s velocidad de tubería de trabajo dentro del rango de 

velocidades sugeridas
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Lo que corresponde a un diámetro de 0.81”, aproximadamente de  1” de diámetro interior

6. ¿Cuál es la presión que debe tener la válvula limitadora de presión?  


El ajuste en la válvula limitadora de presión debe estar a un 10% por encima de la 
presión máxima de trabajo.
 P vlp = 1.1 Ptrabajo = 1.1 * 50Kgf/cm2  =  55Kgf/cm2 


7. ¿Cuál debe ser el volumen del tanque (Vdep)


Como regla empírica el volumen del depósito debe ser entre 
2 a 3 veces el caudal de la bomba medido en galones/minuto   

Vdepósito = 2-3 veces el Qbomba en GPM
Vdepósito =  3 * 16GPM = 48 Galones

8. ¿Cuál es la potencia hidráulica a la salida de la bomba?
Para ello se acude al concepto de eficiencia, que relaciona 
la Potencia de salida con la Potencia de entrada al sistema  
 que en este caso es el grupo de accionamiento. 

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PHidráulica (Watts) =Presión de trabajo máx. ( N/m2 )* Qbomba(m3/s)   
  
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9. Cuál sería la potencia eléctrica de entrada = PEE

   
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Se requiere un motor trifásico de por lo menos 8 ½  HP 
 
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domingo, 12 de diciembre de 2021

FUNDAMENTOS DE LA HIDRÁULICA

FUNDAMENTOS DE LA HIDRÁULICA

Definición, aplicaciones, ventajas y desventajas de la hidráulica. Presión y sus factores de conversión. La ley de Pascal y su aplicación a la palanca hidráulica. Transmisión de la potencia hidráulica y ventajas respecto a sistemas eléctricos. Derivaciones del caudal. Diseño de un sistema hidráulico sencillo. Principios de hidrostática y de hidrodinámica. Propiedades características de un fluido hidráulico.


Al finalizar esta unidad el estudiante desarrollará las siguientes competencias y estará en capacidad de: 

Comprender los principios físicos que explican la transmisión de potencia a través de fluidos comprimidos.

Manejar con propiedad el lenguaje técnico relacionado con el campo de los sistemas hidráulicos en el idioma español y el idioma inglés.

Inculcar el respeto por los compañeros de trabajo, superiores y personas con las que trata continuamente, como punto de partida  para llevar buenas relaciones personales.

Actuar de acuerdo con los principios éticos, morales y de seguridad necesarios para el correcto desempeño  profesional en la empresa.


1.1 Definición de Hidráulica 

La palabra "Hidráulica" proviene del griego "hydor" que significa "agua". Hidráulica  es la tecnología que se emplea para  la transmisión y control de fuerzas y movimientos por medio de líquidos comprimidos, los líquidos que mejor prestan este servicio son los aceites minerales pero también pueden emplearse otros fluidos, como aceites sintéticos, o una emulsión agua-aceite. 

                                                        

1.2 Campos de aplicación de la hidráulica: 

En la actualidad las aplicaciones de la oleohidráulica 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, lo que sin duda ha permitido un creciente desarrollo de la industria en general. Dentro de las aplicaciones se pueden distinguir dos, móviles e industriales:

Aplicaciones Móviles  El empleo de la energía proporcionada  aceite a presión, puede aplicarse para transportar, excavar, levantar, perforar, manipular materiales, controlar e impulsar vehículos móviles tales como:
Maquinaria para la minería
Tractores
Grúas
Retroexcavadoras
Camiones recolectores de basura
Cargadores frontales
Frenos y suspensiones de camiones
Vehículos para la construcción y manutención de carreteras


Aplicaciones Industriales

En la industria, 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:

Maquinaria para la industria plástica

Máquinas herramientas

Maquinaria para la elaboración de alimentos

Equipamiento para robótica y manipulación automatizada

Equipo para montaje industrial

   Maquinaria para la industria siderúrgica        

 


Otras aplicaciones se pueden dar en sistemas propios de vehículos automotores, como automóviles, aplicaciones aerospaciales y aplicaciones navales, por otro lado se pueden tener aplicaciones en el campo de la medicina y en general en todas aquellas áreas                  en que se requiere movimientos muy controlados y de alta precisión, así se tiene:

•Aplicación automotriz: suspensión, frenos, dirección, refrigeración, etc.

•Aplicación Aeronáutica: timones, alerones, trenes de aterrizaje, frenos, simuladores, equipos de mantenimiento aeronáutico, etc.

•Aplicación Naval: timón, mecanismos de transmisión, sistemas de mandos, sistemas especializados de embarcaciones o buques militares

•Medicina: Instrumental quirúrgico, mesas de operaciones, camas de hospital, sillas e instrumental odontológico, etc.

    

La hidráulica tiene aplicaciones tan variadas, que pueden ser empleadas incluso en controles escénicos (teatro), cinematografía, parques de entretenciones, represas, puentes levadizos, plataformas de perforación submarina, ascensores, mesas de levante de automóviles, etc. 

Actividad: Observar el video de FESTO Hydraulics  “ESQUEMA Y APLICACIÓN DE SISTEMAS HIDRÁULICOS”  en el  enlace   http://www.youtube.com/watch?v=EU5DsMaj5Lo

Actividad: Observar el video de FESTO Hydraulics  “FUNDAMENTOS DE HIDRÁULICA”      https://youtu.be/Cw2twCrd0XY

Actividad:   descarga  “Curso de Sistemas Hidráulicos de Maquinaria Pesada”  en el enlace  https://docs.google.com/file/d/0B1WvXuSVyhHqcDNyVFFlYlpaN2M/edit?pli=1

Actividad:   Revisar   On Line   “HYDRAULICS “                http://electronics.wisc-online.com/Category.aspx?ID=6


1.3 Ventajas y Desventajas de la hidráulica

Ventajas de la  hidráulica

La hidráulica presenta una serie de ventajas principalmente frente a otras tecnologías como la eléctrica ya que frente a esta:

Permite trabajar con elevados niveles de fuerza o momentos de giro, incluso puede arrancar con el actuador bloqueado 

Velocidad de actuación fácilmente controlable con solo regular una válvula de estrangulación.

Cambios rápidos de sentido con solo conmutar una válvula distribuidora.

Protección simple contra sobrecargas ya que cuenta con válvula limitadora de presión a la descarga de la bomba.

Instalaciones compactas, pues con tamaños muy pequeños se puede transmitir grandes potencias. El aceite empleado en el sistema es fácilmente recuperable

Desventajas de la  hidráulica

No obstante, también tienen desventajas. En muchos casos se encuentran en el medio de transmisión, en el mismo líquido a presión. 

En las altas presión del líquido hidráulico hay peligros inherentes. Por esta razón, hay que prestar atención a que todas  las conexiones estén firmemente apretadas y estancas.

El fluido es más caro y muy sensible a la contaminación.

Perdidas de carga debidos al rozamiento y las fugas de aceite reducen el rendimiento. 

Personal especializado para la manutención.


 1.4 Presión:

Se define como la cantidad de  fuerza total ejercida sobre una superficie. Generalmente expresamos esta presión en Kgf/cm2. Conociendo la presión y el número de cm2 de la superficie sobre la cual se ejerce, se puede determinar fácilmente la fuerza total. (Fuerza en Kgf = presión en Kgf/cm2 x superficie en cm2).

P = F/A

                            

El esquema anterior se muestra dos cuerpos rectangulares que tienen la misma masa y por ende el mismo peso (Fuerza – F) y se encuentran apoyados sobre dos superficies A1 y A2.  Según la fórmula anterior se ejercerá mayor presión sobre la superficie A2  ya que en ella la fuerza se encuentra mas concentrada.

Las unidades más comunes para expresar la presión son:      Pa (N/m2) , Kgf/cm2 , 

PSI (Lbf/pulg2) , Atm , etc.

Los factores de conversión de presión, fuerza, longitud y área mas usados son:  

PRESIÓN          

1bar = 0.987 Atm = 1.03 Kgf/cm2 = 

100 000 Pa (N/m2) = 14.504 PSI (Lbf/pulg2) 

= 760mm de Hg

FUERZA           

1 Kgf = 9.8 N = 2.205 Lbf

TIEMPO            

1 min = 60 s      1 h = 60 min = 3600s            

1 día = 24 h              1 año = 365 días

LONGITUD       

1 mt = 3.28 ft = 39.36 pulg = 1000 mm = 100 cm         

1 Pulg =2, 54 cm                               

1 ft = 12 pulg

AREA                

1 mt2 = 10.76 ft2 = 1550 pul2= 10000 cm2 

Ejemplo resuelto: Si a  un cilindro cuya área de pistón es de  7.85 cm2 se le aplican 100 bar de presión, ¿Cuanta es la fuerza máxima que se puede obtener en N? 

P= 100 bar = 1000N/Cm2

A = 7.85 cm2

F = P x A = 1000 N/cm2  x  7.85 cm2 = 7850 N


USO DE FACTORES DE CONVERSIÒN 

          

EJERCICIOS PROPUESTOS  -  Usar los factores de conversión de unidades  entre el Sistema Internacional y el Sistema Ingles

  • 5.5  Ton     Convertir    a    lbf                          
  • 25  m² convertir a ft²                          
  • 7  días     Convertir    a    segundos    
  • 450  Kgf/cm² convertir a KPa  
  • 4  lbm  Convertir    a    gr                        
  • 65  ft² convertir a   m²
  • 7800  min convertir a días                      
  • 540 mt² convertir a ft²       
  • 45  ft convertir a m                                
  • 60  mt³ convertir a ft³    
  • 85  pulgadas  convertir a ft                   
  • 770 pulgadas² convertir a ft²    
  • 120  mm convertir a pulgadas                  
  • 700  KPa convertir  a PSI 
  • 3000  PSI convertir a bares                        


Ejemplo propuesto: 

Una plataforma elevadora debe levantar una carga de 15000N, si el sistema suministra una presión máxima de 75 bar. ¿Cuál debe ser el área  (cm2)  del pistón  para que pueda hacer este trabajo?

Ejemplo propuesto:   Si  un pistón es sometido a una presión de 750 PSI y ejerce una fuerza de 100000 N, ¿De que diámetro (mm) debe ser su pistón?


1.5 Presión absoluta y presión manométrica


La presión absoluta es aquella cuya referencia es el cero absoluto o el vacío completo, las medidas de presión en unidades absolutas siempre serán positivas, mientras que las presiones relativas o manométricas son tomadas con referencia a la presión atmosférica por tanto estas presiones pueden ser positivas (arriba de la presión atmosférica) o negativas (por debajo de la presión atmosférica).

Pabs = Pmanométrica + Patm

Una presión manométrica de 4bar equivale a una presión absoluta de 5 bar, una presión manométrica de – 0.3 bar equivale a una presión absoluta de  0.7 bar. 


1.6  Ley de Pascal

La Ley de Pascal, enunciada sencillamente, dice: “La presión aplicada a un fluido confinado se transmite íntegramente en todas las direcciones y ejerce fuerzas iguales sobre áreas iguales, actuando estas fuerzas normalmente en las paredes del recipiente”, Esto explica por qué una botella llena de agua se rompe si introducimos un tapón en la cámara ya completamente llena, el liquido es prácticamente incomprensible y transmite la fuerza aplicada al tapón a todo el recipiente. El resultado es una fuerza considerablemente mayor sobre un área superior a la del tapón. Así, es posible romper el fondo de la botella empujando el tapón con una fuerza moderada.

Aplicación de la Ley de Pascal por Bramah: 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.

Bramah aplicó el principio de Pascal a la prensa hidráulica. La fuerza aplicada es la misma que en el tapón  (10Kgf) y el pequeño pistón tiene el área de 1 cm2. El pistón grande, sin embargo tiene un área de 10 cm2. El pistón pequeño es empujado con 10 Kgf /cm2 de forma que puede soportar un peso total o fuerza de 100Kgf

Puede verse fácilmente que las fuerzas o pesos que equilibran este aparato son proporcionales a las áreas de los pistones. Así pues, si el área del pistón de salida es de 200 cm2, la fuerza de salida será de 2000 Kgf (suponiendo el mismo empuje de 10 Kgf/cm2). Este es el principio del funcionamiento de un gato y de la prensa hidráulica. 

Es interesante notar la similitud entre esta prensa simple y una palanca mecánica. Como Pascal ya había indicado, en este caso, también la fuerza es a la fuerza como la distancia es a la distancia. 

En la figura siguiente vemos un método de multiplicar la fuerza en un sistema hidráulico. Una fuerza de 70 Kg es aplicada sobre el pistón A (10 cm2). Mediante el cálculo que hemos descrito, se origina una presión disponible de 7 Kg/cm2.

Esta presión actúa sobre la superficie del pistón B de 20 cm2  produciendo una fuerza de empuje de 140 Kgf.

Es decir que la fuerza aplicada sobre el pistón A es multiplicada en la misma relación, que la existente entre las áreas de los dos pistones.

Este principio, de multiplicación de fuerza es empleado en el freno de los automóviles y en las prensas hidráulicas.

Refiriéndonos nuevamente a la  figura  vemos que la multiplicación de fuerzas se hace a expensas de sacrificar la carrera del cilindro B. El pistón A se mueve una distancia de 10 cm desplazando 100 cm³ (10 x 10).

Esta cantidad de aceite mueve el pistón B solo 5 cm.

La velocidad de la carrera se ha sacrificado. El pistón B se mueve 5 cm, en el mismo tiempo que el pistón A recorre 10 cm.

En la figura   vemos una analogía mecánica al sistema hidráulico descrito. El producto de las fuerzas por las distancias debe ser igual en ambos sistemas de acuerdo a las leyes de la mecánica. En el extremo izquierdo 70 Kgf x 0,10 m = 0,700 Kgfm, en el extremo derecho 140 Kgf  x 0,5 m = 0,700 Kgfm.

Actividad: Observar el video de FESTO Hydraulics “LEY PASCAL Y VELOCIDAD”       en el enlace  https://youtu.be/kQ3tTDN3hXs

Actividad: Observar el video de FESTO Hydraulics “PRENSA HIDRÁULICA”     en el enlace https://youtu.be/jFAj4l1YCFU

Conservación de la energía: Una ley fundamental de la física afirma que la energía no puede crearse ni destruirse. En este sentido también se cumple que el mismo trabajo que el operador ejerce sobre el pistón pequeño es el mismo trabajo que el pistón grande ejerce sobre la carga.

Para los dos casos anteriores se cumple que   F1 x d1 = F2 x d2  siendo d1 el desplazamiento del pistón pequeño y d2 el desplazamiento del pistón grande.

Otra forma de determinar  el desplazamiento de los cilindros es a través de la relación  A1 x d1 = A2 x d2 la cual indica que  el volumen desplazado por el pistón pequeño es el mismo  volumen que desplaza el pistón grande. 

Ejercicio propuesto: Para fabricar la pieza (2) ha de montarse en la prensa hidráulica, con el fin de  someterla a una fuerza de 4000 Kgf.  A) determine la fuerza F1 necesaria para lograr el objetivo, si A1= 20 cm2 y A2= 600 cm2.    b) determine la fuerza F aplicada al extremo de la palanca necesaria  para alcanzar la fuerza F1.  c) determine el desplazamiento del embolo de trabajo d2 si el embolo de apriete se desplaza d1= 15cm.


    Funcionamiento del gato hidráulico




Actividad: Observar el video  GATO  HIDRÁULICO     http://www.youtube.com/watch?v=qMgl8ACkd-E

1.7  La presión atmosférica carga la bomba

Normalmente la entrada de una bomba está cargada con aceite, debido a la diferencia de presiones entre el depósito y la entrada de la bomba. Generalmente la presión en el depósito es la presión atmosférica, que es de l,03 Kgf/cm2. Es, pues necesario tener un vacío parcial o una presión reducida a la entrada de la bomba, para que ésta pueda aspirar aceite.

Situación típica de una bomba manual, que es simplemente un pistón reciproco. En la carrera de aspiración, el pistón crea un vacío parcial en la cámara de bombeo. La presión atmosférica en el depósito impulsa al aceite hacia la cámara para llenar el vacío. (En una bomba rotativa las cámaras de bombeo sucesivas aumentan de tamaño a medida que pasan por la entrada creando, efectivamente, una condición de vacío).

Si fuese posible crear un vacío completo a la entrada de la bomba, se dispondría de 1,03 Kgf/cm2 para impulsar al aceite. Sin embargo, prácticamente la diferencia de presión disponible es mucho menor. Uno de los motivos es que los líquidos se evaporan en un vacío. Esto introduce burbujas de gas en el aceite. Las burbujas son arrastradas a través de la bomba, desaparecen con fuerza considerable cuando se ven expuestas a la presión en la salida y causan daños que pueden perjudicar al funcionamiento de la bomba y reducir su vida útil. 

La mayoría de los fabricantes de bombas recomiendan un vacío, que no exceda de 127 mm de Hg (mercurio) , el equivalente de aproximadamente 0,83 Kgf/cm2 en la entrada de la bomba. Con una presión atmosférica de 1,03 Kgf/cm2 disponible en el depósito esto deja solamente una diferencia de presión de 0,20 Kgf/cm2 para impulsar al aceite hacia la bomba. Debe evitarse una elevación excesiva y las líneas de entrada de la bomba deben permitir que el aceite circule con un mínimo de resistencia.


1.8 Las bombas de desplazamiento positivo

Las bombas utilizadas en los sistemas hidráulicos se clasifican como de desplazamiento positivo. Esto significa que, exceptuando los cambios de rendimiento, la salida de la bomba es constante, aislada de la entrada, de forma que cualquier cosa que entre se ve forzada a salir por el orificio de salida. 

              


Como puede observarse en la gráfica, las bombas de desplazamiento positivo tienden a suministrar el mismo caudal a medida que aumenta la presión del sistema, incluso cuando la bomba ha perdido rendimiento volumétrico. 

El único objeto de una bomba es dar caudal; la presión es originada por la resistencia al caudal. Aunque existe la tendencia de culpar a la bomba por la pérdida de presión, con pocas excepciones, la presión puede perderse solamente cuando hay fugas que desvían todo el caudal procedente de la bomba. 

Como ejemplo supongamos que una bomba de 10 (Lt/min) litros por minuto se utiliza para alimentar un cilindro de 100 cm2 y para levantar una carga de 4000 Kgf. Mientras la carga sea elevada o soportada por el aceite hidráulico, la presión debe ser 40 Kgf/cm2. 

Incluso si hay un agujero en el pistón y 9,5 Lt/min se fugan a 40 Kgf/cm2, la presión se seguirá manteniendo. Con solamente 0,5 Lt/min disponibles para mover la carga, ésta, naturalmente, se levantará muy despacio, pero la presión requerida para moverla seguirá siendo la misma. 

Ahora imaginemos que la fuga de 9,5 Lt/min estuviese en la bomba en vez de en el cilindro. Todavía habría 0,5 Lt/min para mover la carga y todavía habría presión. Así pues, una bomba puede estar muy desgastada, perdiendo casi todo su rendimiento, y la presión todavía puede mantenerse. El mantenimiento de la presión no indica el estado de la bomba. Es necesario medir el caudal a una presión determinada para comprobar si una bomba está en buenas o malas condiciones, así  comparar  la curva de la  bomba  original  con  el desempeño  (Presión /Caudal ) en las condiciones actuales. 

Actividad:  Determinación de la  Curva  de la  bomba hidráulica  

https://www.youtube.com/watch?v=TrBQbQoCkgs

Actividad: Simula el  circuito  con el  software Fluid Sim H  apoyado  en los videos de  las siguientes  actividades 

Actividad: Buscar en la Web  y analizar   el  siguiente  video  “COMPONENTES DE UN SISTEMA HIDRAULICO”    https://www.youtube.com/watch?v=rTm9K5jUNK0

Actividad: Buscar en la Web  y analizar   el  siguiente Video    CARACTERISTICAS DE LAS  BOMBAS HIDRAULICAS       http://www.youtube.com/watch?v=TrBQbQoCkgs

Actividad: Buscar en la Web  y analizar   el  siguiente Video       Introducción a la simulación de circuitos FLUID SIM  H       http://www.youtube.com/watch?v=ewm2mAVuxdQ


1.9  Como se crea la presión en un circuito hidráulico

La presión se origina cuando el caudal encuentra resistencia. La resistencia puede ser debida a la carga del actuador o a una restricción (u orificio) en las tuberías. La tendencia a suministrar caudal (o empuje) puede originarse mediante una bomba mecánica o simplemente por el peso del fluido.

           

Elevación de la presión en un sistema hidráulico

Los tres esquemas anteriores muestran como se puede elevar la presión en un sistema  hidráulico, en el primero se puede notar que cuando la válvula está 100% abierta, solo es necesario 0.5 bar de presión para hacer fluir el aceite al tanque. A medida que se cierra la válvula a un 50% se nota un incremento de la presión ya que al aumentar la resistencia el fluido debe subir la presión para atravesar la válvula y retornar el aceite al tanque. En el tercer caso la válvula se cierra completamente y el aceite no puede pasar a través de ella, debiendo pasar por la válvula limitadora de presión que está  regulada a 60 bar. Es decir que la presión del sistema es directamente proporcional a la carga que esta manejando.


1.10   Circulación de caudal en paralelo 

Una característica inherente a los líquidos, es que siempre toman el camino de menor resistencia. Así pues, cuando las derivaciones ofrecen resistencias diferentes, la presión aumenta solamente en la cantidad requerida para circular por el camino de menos resistencia. 

El esquema muestra un circuito hidráulico con tres vías en paralelo, en su posición inicial, al activar la bomba esta solo deberá vencer la resistencia que le proporciona la válvula de cheque del primer tramo, que es de 7 bar, si la válvula de cierre este tramo es cerrada, el aceite se verá forzado a paras por el segundo tramo, elevando la presión en 14 bar, si la válvula de cierre del segundo tramo se cierra, el aceite deberá pasar por el tercer tramo, a una presión mínima de 21 bar, si por último son cerradas todas las válvula  de cierre, el aceite tendrá que subir la presión justo para vencer la resistencia de la válvula limitadora de presión que está regulada a 50 bar.

Cuando el caudal de salida de una bomba se dirige hacia dos actuadores, el actuador que necesita menos presión es el primero en moverse. Como es difícil equilibrar las cargas exactas, los cilindros que deben moverse juntos se suelen conectar mecánicamente. 


1.11 Circulación de caudal en serie   

Cuando las resistencias al caudal están conectadas en serie, las presiones se suman.

 


1.12  Caída de presión a través de un orificio 

Un orificio es un paso restringido en una línea hidráulica o componente, usado para controlar el caudal o crear una diferencia de presión (caída de presión) Para que el aceite fluya a través de un orificio, tiene que haber una diferencia de presión a través del orificio (el término caída" procede del hecho de que la presión inferior siempre está más abajo en el sentido de la corriente). Inversamente, si no hay caudal no hay diferencia de presión a través del orificio.

                                    

Actividad: Observar el video de FESTO Hydraulics “CAVITACIÓN Y CAIDA DE PRESIÓN”       http://www.youtube.com/watch?v=mEZCaOa7bq0


1.13 Cálculo de la velocidad de un líquido que fluye por una tubería

Velocidad. Es la velocidad media de las partículas del líquido en un punto determinado a la distancia media que las partículas recorren por unidad de tiempo. Se mide en metros por segundo o en metros por minuto. 

Caudal. Es la cantidad de líquido que pasa por un punto, por unidad de tiempo. Los caudales grandes se miden en litros por minuto. Los caudales pequeños pueden expresarse en cm3/minuto.

Los factores de conversión más usados para  el  caudal, el volumen y el tiempo son: 

CAUDAL          

1 Ltr/min = 1 dm3/min = 1000 cm3/ min 

VOLUMEN      

1Ltr = 1000 Cm3 = 1dm3          

1Galon = 3.785 Ltr               

1m3 = 1000 Ltr= 35.29ft3


Flujo  laminar y turbulento Idealmente, cuando las partículas de un líquido circulan por una tubería se mueven según trayectorias rectas y paralelas. Este régimen se denomina laminar y se produce a baja velocidad, en tuberías rectas. Con régimen laminar el rozamiento es menor lo mismo que las perdidas hidráulicas.

                        

Cuando las trayectorias de las partículas no son paralelas y se cruzan, el régimen se denomina turbulento. El régimen turbulento se origina por cambios bruscos en la dirección o en la sección, o por una velocidad demasiado elevada. El resultado es un rozamiento mucho mayor que origina calentamiento, aumenta la presión de trabajo y malgasta potencia.

Actividad:  LEY PASCAL Y VELOCIDAD https://www.youtube.com/watch?v=kQ3tTDN3hXs


1.14  Velocidades  recomendadas  en las tuberías hidráulicas      

La velocidad a la  que circula el fluido hidráulico a través de las líneas es una consideración de diseño importante, debido al efecto de la velocidad sobre el rozamiento generalmente las velocidades recomendadas son:

Línea de aspiración de la bomba:   de 0,6 a 1,2 metros por segundo.    (2 a 4 ft/s)

Línea de trabajo:    de 2 a 5 metros por segundo.       (7 a 20 ft/s)

A este respecto, hay que observar que: 

1- La velocidad del aceite varía inversamente al cuadrado del diámetro interior del tubo.

2- Generalmente el rozamiento de un líquido que circula por una línea es proporcional a la velocidad. Sin embargo, si el régimen fuese turbulento, el rozamiento variaría con el cuadrado de la velocidad. 

El rozamiento origina turbulencia en la corriente de aceite y opone resistencia al caudal, lo que da como resultado un aumento de presión en la línea. Se recomienda una velocidad muy baja para la línea de aspiración de la bomba porque allí la caída de presión admisible es muy pequeña.

La relación entre el caudal (Q), la velocidad del fluido (V) y el Área de la sección transversal de la tubería (A) es:

Q = V * A   Ecuación de continuidad

Ejemplo resuelto: 

Si por una tubería fluye un caudal de  5 Lt/s  a una velocidad de 4 m/s, ¿Cuál debe ser el diámetro de la sección interna de la tubería?

  
            

El caudal volumétrico de un líquido  que fluye  por un tubo de  varios diámetros es igual en cualquier parte del tubo. Ello significa que el fluido atraviesa los segmentos  más pequeños con  mayor velocidad. Se aplican la ecuación de continuidad a cada tramo.

        

   


Actividad:  Ver  el  siguiente Video   www.youtube.com/watch?v=edbRCoCv4t8


EJEMPLO RESUELTO

Si por una tubería de  4 pulg,  pasa un caudal (q) de 3000 lt/min de aceite ¿Qué velocidad lleva el aceite por esta tubería?

Lo más conveniente es expresar el caudal en  cm3/s     

                                


  


Q= V * A   ecuación de continuidad


El área de una sección circular se expresa comodonde el diámetro del cilindro    

Luego el área de la sección  circular del cilindro es     
    

La velocidad    

     EJERCICIOS RESUELTOS 

Que caudal en    pasa por una tubería de 3 pulgadas,  que lleva una velocidad de 5m/s.


EJERCICIOS PROPUESTOS

Si por una tubería pasa un caudal de 500Lt/min  con una velocidad de 3m/s. ¿De cuantas pulgadas es el diámetro de la tubería?                             


EJERCICIO PROPUESTO

Si por una tubería de succión de una bomba deben pasar 400 Gal/min (GPM)  con una velocidad de 1m/s. ¿De cuantas debe ser pulgadas diámetro interno  de la tubería?             

                                                 

EJERCICIO RESUELTO

Si por una tubería de 2” de diámetro interno pasa un líquido a 15 ft/s    ¿Determina el caudal que pasa por la tubería en   ft3/min?


El área de una sección circular se expresa como   donde el diámetro del cilindro 

Luego el área de la sección  circular del cilindro el  
         

 EJEMPLO RESUELTO

Si por una tubería pasa un caudal (q)  de 50 gal/min a una velocidad (v)   4 m/s

 ¿Qué  diámetro interno debe usarse?



1.15 Cálculo de la velocidad de un actuador (cilindro  o motor hidráulico).  

La velocidad de desplazamiento del vástago de un cilindro o de giro de un motor depende de su tamaño y del caudal que se le envía. Para relacionar el caudal con la velocidad, consideremos el volumen que requiere el actuador para obtener un desplazamiento determinado. 

La relación entre estas magnitudes puede expresarse como sigue: 

 

Caudal (Q)= Velocidad (V) *Área  (A)   

    

Si el cilindro mostrado es alimentado del lado del pistón con un caudal de 10 lt/min y actúa sobre el embolo de 32mm de diámetro. ¿A que velocidad se moverá el cilindro?

 Velocidad de avance de un cilindro


Si al mismo cilindro es alimentado con el caudal  de 10 Lt/min  del lado del vástago cuyo diámetro es de 15 mm ¿Cuál será la velocidad con la que retorna el pistón?

Es necesario hacer la diferenciación entre el área del lado del embolo y el área del lado del pistón donde actúa  la presión de aceite, es claro como lo muestra la gráfica que el área del lado del vástago es mucho menor que el área del lado del pistón. 

Según  la siguiente relación:



Es decir que para un mismo caudal se obtiene una velocidad de retorno mucho mayor que la de  avance.

Actividad: Observar el video de FESTO Hydraulics “LEY PASCAL Y VELOCIDAD”  EN  EL  ENLACE  https://youtu.be/kQ3tTDN3hXs

Una forma para determinar el tiempo (t)  que tarda en llenarse un cilindro de volumen (Vol)  que es alimentado con un caudal (Q) se puede obtener usando la expresión.

Caudal (Q)=  Volumen  (Vol) / t (tiempo). 

 

Para llenar completamente el cilindro anterior se necesita un volumen de aceite  de 2000 cm3, si se alimenta con el mismo caudal de 166 cm3/s. ¿Cuanto tiempo tardaría en llenarse?

 


Según esto, podemos sacar las siguientes conclusiones: 

Que la fuerza o par de un actuador es directamente proporcional a la presión e independiente del caudal

Que su velocidad depende del caudal que reciba, con independencia de la presión.


Problema propuesto :  Si la bomba suministra un caudal constante de 10 Lt/min y el actuador (cilindro) se desplaza a una velocidad de  10 cm/s, determine el área del cilindro (cm2).


1.16  Cálculo de fuerzas en cilindros 

La fuerza con la que se desplaza un cilindro depende directamente de la presión y del área sobre la cual actúa dicha presión.

Para la fuerza de avance y retorno se cumplen las siguientes expresiones:  

       



De tal forma que al aplicarle una presión de 60 Kgf/cm2 a un pistón de 8cm2 se puede alcanzar una fuerza de 480 Kgf en el avance.


Para determinar la fuerza que se logra con un cilindro al retornar es necesario tener en cuenta que en este caso, el aceite  ejerce  la presión sobre un área más pequeña, que es el área del lado del vástago  .


                                   

Actividad: Observar el video de FESTO Hydraulics “PRESIÓN EN CILINDROS”  en el  enlace https://youtu.be/43-bgqyFo5g

Actividad:     Observar el video de FESTO Hydraulics “CILINDROS Y MOTORES”  en el enlace https://youtu.be/rv4fGrVBMR8

Actividad Trabaj

o Independiente =  Partiendo de las presiones, caudales y dimensiones aplicadas al cilindro hidráulico  verifique los cálculos.   


Actividad Trabajo IndependientePartiendo de las presiones, caudales y dimensiones aplicadas al cilindro hidráulico  realice  los cálculos basándose en el ejemplo anterior.  Determine la fuerza F (Kgf)  y el tiempo  t (s)  para el avance.

 


1.17  Trabajo y potencia: 

Cuando se ejerce una fuerza a lo largo de una distancia, se realiza un trabajo: Trabajo = fuerza x distancia

El trabajo se expresa generalmente en Kgfm. Por ejemplo, si un peso de  10Kgf  se eleva a 10 metros, el trabajo es 10 Kgf x 10 m, o sea 100 Kgfm. 


Cuando un cilindro avanza 0.5 m aplicando una fuerza de 800 N, se puede decir que ha realizado un trabajo de 400 Nm = 400J, el cilindro realiza un trabajo debido a que el ejerce una fuerza a lo largo de una distancia.

La fórmula precedente para el trabajo no toma en consideración con que velocidad se realiza dicho trabajo. El trabajo realizado por unidad de tiempo se denomina potencia.

Para visualizar la potencia pensemos en la operación de subir unas escaleras. El trabajo realizado es el peso del cuerpo multiplicado por la altura de las escaleras. Pero es más difícil correr por las escaleras que andar. Cuando se corre se hace el mismo trabajo pero a mayor velocidad. 

 Si el cilindro del ejemplo anterior realiza el trabajo en 20s  ¿Qué potencia está transmitiendo?

 
La unidad de potencia es el caballo de potencia, en abreviatura HP (Horse Power). Es equivalente a    75 Kgfm/s.  También tiene equivalencias en potencias eléctrica y calorífica. 

Los factores de conversión mas usados para la conversión de las unidades de potencia son:

1 HP = 746 Watt  (potencia eléctrica) 

1 HP = 176,6 Cal/s (potencia calorífica) 

Evidentemente es deseable poder transformar la potencia hidráulica en potencia mecánica y conocer su equivalente mecánico, eléctrico y calorífico.

Problema propuesto: si la bomba suministra  un caudal de 20 GPM (gal/min) a una presión de 87 PSI. Determine  la potencia hidráulica  del fluido a la descarga (HP).


1.18  Transformación de la potencia en un sistema hidráulico

El sistema hidráulico es un sistema en el cual se genera, transmite y controla la aplicación de potencia a través del la circulación de aceite  comprimido en un circuito. El sistema puede dividirse en tres grandes grupos que observamos en el diagrama de bloques.

Comenzando desde la izquierda del diagrama, la primera sección corresponde a la conversión de Energía Eléctrica y/o Mecánica en un sistema de energía hidráulica.

Un motor eléctrico, de explosión o de otra naturaleza está vinculado a una bomba, a cuya salida se obtiene un cierto caudal a una determinada presión. 

En la parte central del diagrama, el fluido es conducido a través de tubería al lugar de utilización.

A la derecha en el diagrama, el aceite en movimiento produce una reconversión en energía mecánica mediante su acción sobre un cilindro o un motor hidráulico. Con las válvulas se controla la dirección del movimiento, la velocidad y el nivel de potencia a la salida del motor o cilindro. 

En instalaciones hidráulicas es necesario hacer una distinción entre potencia eléctrica, mecánica e hidráulica, la potencia mecánica es convertida en potencia hidráulica, transportada y controlada y vuelta a convertir en energía  mecánica, como puede verse en la figura. 

La potencia  eléctrica de un  motor trifásico depende de la corriente de línea  I (Amperios), del Voltaje entre línea y línea  V (Voltios) y del Factor de potencia     que depende del ángulo de desfase  .  

Así un motor trifásico alimentado a 220 V que consume una corriente de 30 A con un factor de potencia   de 0.8, estará desarrollando una potencia de  9145 Watt = 9.14 Kw, atendiendo a la ecuación         .

En un sistema hidráulico la velocidad queda indicada por el caudal, en litros por minuto o metros cúbicos por hora, la fuerza, en Kgf  o N y  la presión, en Kgf/cm2, bar o N/mt2. De esta forma podemos expresar la potencia hidráulica que se trasporta por una tubería como sigue: 



Problema resuelto: 

Si por una tubería fluye un caudal de aceite de 4.2 Lt/min a una presión de 60bar, ¿Qué potencia hidráulica se está transportando por la tubería?


La  potencia  hidráulica   que  transporta  una  tubería   está determinada por su caudal  y la presión que registra  esta puede determinarse en  unidades de  (Watts) o (HP)  con las siguientes expresiones.   

P¬Hidráulica (Watts) =  Presión ( N/m2)* Q (m3/s)  

PHidráulica (HP)= Presión  PSI * Q (GPM)  / 1714

Problema resuelto

¿Qué presión debe tener una tubería que transmite 315 W con un caudal de 4.2 Lt/min?

Problema propuesto:   

¿Qué potencia  hidráulica transmite un aceite que fluye a una rata de 20  m3/h  con una presión de   350 PSI?


1.19  Eficiencia y pérdidas de potencia en un sistema hidráulico.

El esquema muestra como los diferentes tipos de eficiencia deben ser tenidos en cuenta para la determinación de las potencias de entrada y salida en un sistema hidráulico, a manera experimental se observa el porcentaje de perdidas en los diferentes dispositivos, dando como resultado que en promedio se pierde entre un 25 y 30% de potencia debido a la fricción o perdidas volumétricas en la bomba. 

Por lo tanto el sistema hidráulico tiene una eficiencia  promedio del 75% a 70%, definiendo la eficiencia como la relación entre la potencia mecánica útil de salida y la potencia eléctrica de entrada.

 Actividad:  Ver  el video  “Serie Energía Hidráulica Titulo El Circuito Hidráulico”     en el  enlace      https://www.youtube.com/watch?v=kOIgHeT_l-4      se describe la estructura de in  sistema hidráulico  sencillo.


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