AUTOMATIZACIÓN HIDRÁULICA Conceptos, elementos ,esquemas y aplicaciones Carlos Javier Martín Lucas

INTRODUCCIÓN La palabra Hidráulica proviene del griego "hydor" que significa agua. Es la ciencia que estudia la transferencia de energía que ocurre cuando se empuja a un fluido líquido, el cual es su medio transmisor.

Suelen emplearse aceites minerales pero también líquidos sintéticos, agua o una emulsión agua-aceite. La ventaja que implica la utilización de la hidráulica es la posibilidad de transmitir grandes presiones de trabajo (hasta 700 bar).

Fundamentos Físicos • LA PRESIÓN (P) Es el resultado de una fuerza aplicada a la superficie de un cuerpo (N/m2). Su unidad según el S.I. es el Pascal (Pa), aunque también se suele expresa en: N/m2= 1 Pa bares→ 1 bar= 105Pa Psi(libra por pulgada cuadrada) = 0.06895 bar Kg /cm² ~  Kp/cm²  ~ bar El manómetro es el instrumento que se usa para medir la presión.

Principio de Pascal “La presión existente en un líquido confinado (encerrado) actúa igualmente en todas direcciones, y lo hace formando ángulos rectos con la superficie del recipiente". Esta es la ley más elemental de la física referida a la hidráulica. P5 P1 P4 P2 P3 P1 = P2 = P3 = P4=P5

Aplicación de la Ley de Pascal por Bramah Joseph Bramah, utilizó el descubrimiento de Pascal para fabricar una prensa hidráulica. Si una pequeña fuerza, actúa sobre un área pequeña, ésta creará una fuerza proporcionalmente mas grande sobre una superficie mayor. Propagación de la presión Multiplicación de la fuerza Multiplicación de la presión Multiplicación de la distancia

CAUDAL VOLUMÉTRICO Es el volumen de un liquido que fluye a través de un tubo por un tiempo conocido. Q=V/t Para un cilindro: V=AxS→ Q=(AxS)/t Q: caudal V: volumen t: tiempo A: área S: carrera El caudal volumétrico de un líquido que fluye por un tubo de varios diámetros es igual en cualquier parte del tubo. Esto significa que el fluido a traviesa los segmentos más pequeños con mayor velocidad.

El flujo de fluidos en tuberías Flujo laminar Las capas de fluido se mueven en forma paralela una a la otra, las próximas a las paredes internas de la tubería lo hacen más lentamente, mientras que las cercanas al centro lo hacen rápidamente. Flujo turbulento Las partículas de fluido se mueven en forma desordenada con respecto a la dirección del flujo. Excesos de velocidad de circulación Cambios bruscos del diámetro de tubería Rugosidad interna de la tubería

Función del fluido oleohidráulico Las finalidades esenciales de un fluido oleohidráulico son: Ser el medio transmisor de energía. Lubrificar los componentes que constituyen el sistema. Minimizar las fugas. Disipar el calor generado en el sistema Además de estas funciones: Impedir la corrosión (oxidación). Reducir la formación de espuma. Compatibilidad con los elementos de estanqueidad. Mantener un índice de viscosidad relativamente estable en un amplio rango de temperatura. Resistencia al fuego. No ser tóxico

Clasificación de los Fluidos Desde 1977 la clasificación internacional adoptada para los aceites industriales (por el I.S.O.), está basada en la viscosidad a 40 gC en centiestokes. Las distintas normas (AFNOR, DIN, CETOP, ISO)definen 4 tipos de fluidos: HH : aceite mineral no inhibido. HL : aceite mineral poseedor de propiedades antioxidantes y anticorrosión. HM : fluido de categoria HL con características antidesgaste. HV : fluido de categoria HM con propiedades viscosidad-temperatura mejoradas.

Propiedades de los fluidos Densidad. En la práctica, se puede asimilar al peso específico y proporciona, en algunos casos, una referencia en cuanto al origen del aceite. La densidad se expresa en gramos por centímetro cúbico. La densidad varia con la temperatura en 6x10-4 g/cm3 aproximadamente, por grado centígrado. Cuanto mayor es el grado API, menor es la densidad. La escala API va de 0 (que corresponde a 1076g/cm3) y 100 (que corresponde a 0,6112g/cm3).

Viscosidad La viscosidad es la resistencia del fluido a derramarse o fluir por el interior de un conducto. Puede ser determinada midiendo el tiempo que tarda el fluido en fluir a través de un orificio normalizado a una determinada temperatura. Esta temperatura suele ser 100 gF y 210 gF (37.8 gC y 98.9 gC). En general, se definen dos tipos de viscosidad: -La viscosidad dinámica Donde τ es la tensión tangencial (se opone al movimiento) y es la dirección normal al movimiento. La unidad fundamental es al poise (en la práctica centipoise). -La viscosidad cinemática Donde ρ es la densidad del fluido. Su unidad fundamental es el stoke (en la práctica centistoke, cst).

Variación de la viscosidad: Temperatura, la viscosidad de un fluido disminuye con la reducción de densidad, que tiene lugar al aumentar la temperatura. Presión, la viscosidad no se ve afectada ante presiones moderadas pero se han encontrado grandes incrementos a presiones sumamente elevadas.

Efectos a los que son sometido los fluidos Un aumento de temperatura provoca un efecto de expansión en liquido y gases. La expansión del aceite hidráulico en un circuito cerrado es un problema, ya que la presión interna puede alcanzar valores de 1400 kg/cm2. Todos los materiales son compresibles en mayor o menor grado (ya sean líquidos, gases o sólidos). El diseñado hidráulico debe tener en cuenta la compresibilidad de los líquidos para prevenir los golpes de ariete.

Elementos de una instalación hidráulica

Las bombas hidráulicas Son los elementos encargados de impulsar el aceite o líquido hidráulico, transformando la energía mecánica rotatoria en energía hidráulica. El proceso de transformación de energía se efectúa en dos etapas: aspiración y descarga. Clasificación de las Bombas: Caudal constante (cilindrada constante) Caudal variable (cilindrada variable) Cilindrada : Se refiere al volumen de aceite que la bomba puede entregar en cada revolución. D = Diámetro mayor del engranaje d = Diámetro menor del engranaje l = Ancho del engranaje Unidad: cm3/rev

Rendimiento Volumétrico Caudal Teórico :Es el caudal que de acuerdo al diseño, debiera entregar la bomba (caudal Ideal) C = Cilindrada (cm3/rev) N = Rpm (1/rev) Rendimiento Volumétrico QR = Caudal Real QT = Caudal Teórico

Tipos de bombas Tipos de bombas Engranajes Paletas Pistones Dientes externos Dientes internos Lóbulos Paletas Desequilibradas Equilibradas Pistones Axiales Radiales

Bombas de engranajes De dientes externos: De dientes internos: Están compuestas por un par de engranajes que trabajan dentro de un cuerpo de aluminio. El aceite atrapado entre los dientes de los engranajes y las paredes de la caja, es llevado hacia la boca de salida. Gracias a los dientes opuestos impiden que el aceite retroceda, por lo tanto el aceite es obligado a circular por todo el sistema. De dientes internos: Estas también constan de dos engranajes, pero en ella el engranaje recto gira dentro de otro más grande de dientes internos. El principio de funcionamiento es el mismo que el de la bomba de engranajes externos, con la diferencia que en ésta ambos engranajes giran en la misma dirección.

Engranaje de lóbulo: Esta bomba funciona siguiendo el principio de la bomba de engranajes de dientes externos, ambos elementos giran en sentidos opuestos.

Bombas de paleta Desequilibradas: Equilibradas: Tiene un solo ciclo de trabajo a cada revolución del motor esta solo tiene una boca de entrada y una boca de salida y el rotor esta descentrado en relación con el estator. Al tener la bomba una sola zona de alta presión se originan fuerzas que no son compensadas, lo que indica que la bomba se trata de una bomba desequilibrada. Equilibradas: El rotor y el anillo están ubicados concéntricamente. Posee dos zonas de aspiración y dos de descarga, por lo tanto la aspiración y descarga se realiza dos veces en cada revolución. Su caudal es fijo. Las fuerzas resultantes se anulan, por lo tanto la bomba es equilibrada

Bombas de pistones Axiales: Radiales: El vaivén de los pistones se consigue por el ángulo que forman el eje de accionamiento de la placa con el eje longitudinal del bloque de cilindros bombeando el aceite. Radiales: Estas son las más ingeniosas de todas permite obtener altas presiones, grandes caudales, grandes velocidades y caudal variable .

Válvulas distribuidoras

Válvulas distribuidoras 3/3 Válvula 4/2 4/3 Válvula 5/2 5/3

El fluido que circula por el sistema hidráulico debe ser dirigido convenientemente a los diversos cilindros, actuadores, o motores, de acuerdo a las exigencias y secuencias del trabajo que se deba realizar. Las válvulas direccionales más elementales son las de dos, tres y cuatro vías . Los accionamientos suelen ser iguales a los usados en sistemas neumáticos (pulsadores, rodillos, solenoides, etc.) pero en hidráulica se ejecutan por la derecha.

Válvulas reguladoras de caudal Las aplicaciones de los reguladores de caudal no están limitadas a la reducción de la velocidad de los cilindros o actuadores en general, pues además tienen gran aplicación en accionamientos retardados, temporizaciones, impulsos, etc. Los reguladores de caudal pueden se unidireccionales y bidireccionales. Válvula de aguja Válvula de compuerta Válvula de esfera

Simbología Reguladora de caudal bidireccional Reguladora de caudal unidireccional Reguladora de caudal compensada Válvula de estrangulación de diafragma Válvula de estrangulación de diafragma unidireccional Válvula de estrangulación de diafragma ajustable Válvula de estrangulación de diafragma ajustable unidireccional Reguladora de caudal en alimentación Controles de caudal

Válvulas reguladoras de presión Una válvula reguladora de presión tiene por misión mantener en línea sistema un valor de presión constante, aún si la red de alimentación tiene presiones de valor oscilante y consumos variables. Estas válvulas pueden tener un ajuste fijo o regulable, por lo que pueden ser con muelle o sin este.

Simbología Limitadora de presión Limitadora de presión con piloto externo Reductora de presión Válvula de descarga Reductora de presión con piloto externo Válvula de secuencia Válvula de secuencia con piloto externo Limitadora de presión preaccionada Válvula de descarga con antirretorno Válvula de descarga con piloto externo Válvula de secuencia con antirretorno

Válvulas de seguridad La válvula de seguridad es un elemento indispensable en las instalaciones hidráulicas y es el aparato que más cerca debe ponerse de la bomba, su misión es limitar la presión máxima del circuito para proteger a los elementos de la instalación. Esta válvula, también conocida como válvula de descarga, de alivio, de sobrepresión o VLP, actúa cuando se alcanza el valor de la presión regulada en el resorte.

Válvulas de retención También llamadas de bloqueo, antirretorno, check o clapet. Es una válvula que permite la circulación del fluido en un solo sentido, en la dirección contraria se cierra impidiendo el paso. La obturación del paso puede lograrse con una bola, disco, cono, etc., impulsada por la propia presión de trabajo o bien con la ayuda complementaria de un muelle. Sin precarga Con resorte de precarga Desbloqueable

Actuadores

Cilindros Retorno por resorte Extensión por resorte Retorno por fuerza externa Con vástago simple( general) Con amortiguación ajustable A vías múltiples Diferencial Compresión Telescópico A tracción Telescópico doble efecto

Elementos de una unidad hidráulica

Depósitos Los depósitos de fluidos hidráulicos son fabricados con láminas de aceros, fundiciones especiales y aluminio. Se clasifican en dos grandes grupos: los abiertos al aire libre los cerrados bajo presión Y pueden ir instalados: Con tubería que desemboca por encima del nivel del fluido. Con tubería que desemboca por debajo del nivel del fluido (caso corriente). Con tubería en carga. Propósito de los depósitos: Almacenar el fluido de transmisión de potencia. Compensar las fugas. Permitir que el fluido se desecante y se desemulsione. Actuar como un regulador térmico. Completar la función de filtrado. Proteger al fluido contra la suciedad y cuerpos extraños.

Acumuladores Los acumuladores son dispositivos hidráulicos que pueden realizar la misma función que una bomba, es decir, actúan como “generadores de energía”. Propósitos de los acumuladores: 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

Tipos de acumuladores Acumulador de contrapeso Acumulador cargado por muelle

Acumulador de Pistón Acumulador de Diafragma Acumulador de gas no separado Acumulador de vejiga

Equipos de medición y otros componentes Filtros manómetros. Termómetro. Medidor de caudal. Enfriador Enfriador – calentador Enfriador por aire

Algunas aplicaciones de los sistemas hidráulicos