04[1]. sistemas hidraulicos

TECSUP – PFR Sistemas Neumáticos e Hidráulicos

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Unidad X

SSIISSTTEEMMAASS HHIIDDRRÁÁUULLIICCOOSS

1. SISTEMAS HIDRÁULICOS DE ACCIONAMIENTO MANUAL

Veamos que elementos conforman un circuito oleohidráulico elemental de accionamiento manual pero de uso muy común:

Multiplicador de fuerzas Hidráulico.

Figura 10.1 Sistema Básico.

Multiplicador de fuerzas mecánico y multiplicador de

fuerzas hidráulico.

Figura 10.2 Sistema con Palanca.

Sistemas Neumáticos e Hidráulicos TECSUP – PFR

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Utilizando válvulas antiretorno.

Figura 10.3 Sistema para sostener la carga y desplazarse

en forma continua.

Permite el retorno del pistón de simple efecto debido a su propio peso o a una fuerza

externa. Este es el esquema típico de

una gata hidráulica.

Figura 10.4 Sistema con válvula de descarga.

Sistema muy frecuente, con válvula limitadora de presión

o válvula de seguridad. Se utiliza en prensas,

montacargas, etc.

Figura 10.5 Sistema con válvula limitadora de presión.


195

La carga asciende tanto con la carrera de arriba hacia

abajo como con la carrera de abajo hacia arriba de la

bomba manual.

Figura 10.6 Sistema con bomba de pistón de doble efecto.

El SISTEMA HIDRÁULICO, tiene: • Bomba de un pistón de accionamiento manual de doble efecto. • Válvula de control de máxima presión (válvula limitadora de presión). • Válvula de distribución de caudal 4/3 de accionamiento manual y centrado

por muelles. • Actuador: pistón de doble efecto.

Figura 10.7


196

Veamos como debe actuar la válvula distribuidora para que salga el pistón:

Figura 10.8

Veamos como debe actuar la válvula distribuidora para que entre el pistón:

Figura 10.9


197

2. SISTEMA HIDRÁULICO DE ACCIONAMIENTO POR MOTOR ELÉCTRICO

Si reemplazamos la bomba de accionamiento manual por una bomba accionada por un motor eléctrico o un motor de combustión interna (motores gasolineros o petroleros) para obtener un “flujo continuo” de caudal tendremos un sistema hidráulico básico como el que se muestra a continuación:

M

Figura 10.10

3. REPRESENTACIÓN DE UN CIRCUITO HIDRÁULICO BÁSICO

El circuito mostrado anteriormente (Figura 10.10) se representa simbólicamente de acuerdo a la norma DIN 1219 (Figura 10.11):

Figura 10.11

M


198

Esquemáticamente (Figura 10.12): Con la válvula accionada para que el pistón salga.

Figura 10.12

4. PARTES DE UN SISTEMA HIDRÁULICO Un sistema hidráulico tiene las siguientes partes: • BOMBA:

Unidad de Transformación de Energía mecánica en Energía de Fluido. La energía mecánica es el movimiento rotacional que entrega el motor eléctrico al eje de la bomba y la energía de fluido básicamente esta constituida por presión y caudal.

• CONTROL DE PRESIÓN Y CAUDAL:

Constituido en este caso por las válvulas limitadora de presión y la válvula distribuidora 4/3. La válvula de estrangulamiento y la válvula check.

• ACTUADOR: Constituido por el cilindro el cual es un conversor de energía de fluido en energía mecánica (movimiento lineal que desplaza una fuerza, es decir que realiza un trabajo).

P T

A B


199

5. FLUJO ENERGÉTICO Esta identificación de las partes permite distinguir el flujo energético en un sistema hidráulico: 1. TRANSFORMACIÓN DE ENERGÍA MECÁNICA EN ENERGÍA HIDRÁULICA. 2. CONTROL DE LA ENERGÍA HIDRÁULICA. 3. TRANSFORMACIÓN DE LA ENERGÍA HIDRÁULICA EN ENERGÍA MECÁNICA.

Figura 10.13

6. ¿POR QUÉ LOS CAMBIOS ENERGÉTICOS?

El cuadro mostrado nos sugiere la siguiente pregunta: ¿Por qué pasar de la energía mecánica en el eje del motor a la energía hidráulica (de fluido) y luego nuevamente a energía mecánica? 1. Porque los motores: eléctrico o de combustión interna dan alta velocidad

angular pero bajo torque: El motor eléctrico síncrono gira a 3600, 1800, 1200 o 900 rpm El motor de combustión interna gira en ramentí a 500, 800, 1500 rpm Por lo tanto si queremos bajas velocidades y altos torques tenemos tres posibilidades:

CONVERSOR DE ENERGIAMECANICA EN ENERGIA DE

FLUIDO :BOMBA

CONTROL DE ENERGIA :VALVULAS DE CONTROL DE

PRESION Y CAUDAL

CONVERSOR DE ENERGIA DEFLUIDO EN ENERGIA MECANICA :

ACTUADORES

M


200

• Reductor mecánico de velocidades: Cajas mecánicas con engranajes, poleas fajas, etc.

• Controlador electrónico de velocidades. • Sistemas hidráulicos.

2. Los motores: eléctrico o de combustión interna dan velocidad angular y se

requiere velocidades lineales. Para la transformación tenemos: • Rueda dentada, cremallera. • Cadenas, fajas. • Sistemas hidráulicos. En ambos casos los sistemas oleohidráulicos son una buena alternativa considerando las siguientes ventajas: • Flexibilidad mecánica. • Fácil control. • Alta potencia transmitida. Además debemos considerar las ventajas citadas en la Unidad I.

7. EFICIENCIA TOTAL DE UN SISTEMA OLEOHIDRÁULICO

También debemos considerar que estos cambios energéticos están asociados a una degradación de la energía debido a las pérdidas, manifestadas en forma de calor, cuya cuantificación podemos evaluarla a través de la eficiencia total de un sistema hidráulico.

[ ]75,0...60,0n HIDRAULICOSISTEMA =

El uso de bombas de caudal variable ha hecho posible una importante mejora de la eficiencia total del sistema hidráulico. Convencionalmente ha sido del 40%, pero actualmente se cuenta con sistemas con eficiencias del 60% al 75%.


201

8. POTENCIA ELÉCTRICA, HIDRÁULICA Y MECÁNICA Comúnmente se emplea el término de Potencia como un sinónimo de Energía (Tome en cuenta que la Energía es el producto de la Potencia por el tiempo).

P

Et

=

Es importante conocer su evaluación en cada caso: Si el motor que acciona a la bomba es eléctrico: • La potencia (eléctrica) que recibe el motor eléctrico ( monofásico ) esta dado

por:

θφ CosIUP ..1 ELECTRICO MOTOR RECIBE =

• Si el motor eléctrico es trifásico, la potencia que recibe esta dado por:

θφ CosIUP ...33 ELECTRICO MOTOR RECIBE =

• Si el motor que acciona a la bomba es de combustión interna:

alorificooderCPmP .

.

INTERNA COMBUSTION MOTOR RECIBE =

Luego: La potencia que recibe la bomba es la POTENCIA DEL MOTOR: (Es la potencia mecánica que entrega el motor eléctrico o de combustión interna).

EEMP ω.BOMBA RECIBE =


202

La potencia que entrega la bomba al sistema hidráulico o POTENCIA DE LA BOMBA es:

11BOMBAENTREGA .QpP =

Para casos prácticos:

600QP ⋅

=ρ

M

EMECANICA

E OLE

OH

IDR

AULI

CA

PMOTOR ELECTRICO

EELECTRICA

MEQUIMICA

PMOTOR COMBUSTION INTERNA

EEMP ω.BOMBA RECIBE =

11BOMBAENTREGA .QpP =

θ

θ

φ

φ

CosIU

PCosIU

P

...3

..

3 ELECTRICO MOTOR RECIBE

1 ELECTRICO MOTOR RECIBE

=

=

alorificooder CPm

P

..

INTERNA COMBUSTION MOTOR RECIBE

=

Figura 10.14

La potencia (hidráulica) que entrega el sistema de control al actuador:

22CONTROL DESISTEMA ENTREGA .QpP = La potencia que recibe el actuador es:

ρ → bar Q → ρ/min P → Kw

2 ACTUADOR EL RECIBE .QpP ∆=


203

La potencia (mecánica) que entrega el cilindro hidráulico:

vFP .CILINDROENTREGA = La potencia (mecánica) que entrega el motor hidráulico:

AAMP ω.HIDRAULICO MOTORENTREGA =

Eoleohidráulica

Eoleohidráulica Emecánica

Emecánica

Potencia que entrega cilindro

Potencia que entrega motor oleohidráulico

AAMP ω.=HIDRAULICO MOTORENTREGA

vFP .CILINDROENTREGA =

22.QpP =CONTROL DESISTEMA ENTREGA

2.QpP ∆= REL ACTUADO RECIBE

2 ACTUADOR EL RECIBE .QpP ∆=

Q2

Q2

p2

p2

p3

p3

Figura 10.15


204

9. EFICIENCIAS. DIAGRAMA DE SANKEY

Cada parte del sistema presenta un promedio de pérdidas por lo que se puede definir las siguientes eficiencias:

BOMBA RECIBE

BOMBAENTREGA BOMBA P

P=η

BOMBAENTREGA

HIDRÁULICO CONTROLSISTEMA ENTREGA HIDRAULICO CONTROLSISTEMA P

P=

ACTUADOR RECIBE

ACTUADORENTREGA ACTUADOR P

P=η

Los valores promedios de éstas eficiencias se encuentran en el siguiente diagrama de SANKEY:

POTENCIA ELECTRICA

POTENCIA DEENTRADA

5 % MOTORELECTRICO

10 % BOMBA

10 % VALVULASTUBERIAS

5 - 10 % CILINDROMOTORES

70 - 75 % POTENCIA DESALIDA

M

Figura 10.16


205

Ejemplo: Para el siguiente diagrama: 1. Calcular la presión p (bar). 2. Calcular el torque M de un motor (N – m).

M

220 V25 HP

Q = 10 GPM

rpmnTBOMBA

1800% 90

==η

250 bar

%85./50.. 3

==

MOTOR

revcmAVη

10 bar

p

M ( N-m )TORQUE

Figura 10.17

Solución: 1. Cálculo de la presión:

600*

25QpP

HPPPP

BOMBA

MOTOR

MOTOR

BOMBABOMBA

=

=

=η

Reemplazando los datos en estas relaciones tenemos: p = 266 bar.


206

Cálculo del torque:

rpmAVQn

nMP

QpP

PP

MOTOR

HIDRAULICA

HIDRAULICA

MOTORMOTOR

757..

60**2

*600

*

==

=

=

∆=

=

πω

ω

η

Reemplazando los datos en estas relaciones tenemos: T = 162 N – m.

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