cálculo y diseño del sistema oleohidraulico para una ... · 13.3 calculo del caudal (cpm)...
TRANSCRIPT
-
CALCULO Y DISEÑO DEL SISTEMA OLEOHIDRAULICO PARA UNA PRENSA
DE VULCANIZ.ADO POR COMPRESION ACCIONADA ELECTRICAMENTE
CARLOS ALBERTO MACIAS JARAMILLO
ilJ-r;:rl Aulúnoma de octidonlo fiI srcctotl BlBLlog#iL-----r.-=.g
026?56
CORPORACION UNIVERSITARIA AUTONOMA DE OCCIDENTE
DIVISION DE INGENIERIAS
PROGRAMA DE INGENIERIA MECANICA
SANTIAGO DE CALI
1997
+omcE
I
rSf r rruüifiiüÍfi=ulilu
u ru
-
CALCULO Y DISEÑO DEL SISTEMA OLEOHIORAULICO PARA UNA
PRENSA DE VULCANIZADO POR COMPRESION ACCIONADA
ELECTR¡CAMENTE
CARLOS ALBERTO MACIAS JARAMILLO
Trabajo de grado para optar al titulo deIngeniero Mecánico
DirectorDANILO AMPUDIA
Ingeníero Mecánico U.l.S.
CORPORACION UNIVERSITARIA AUTONOMA DE OCCIDENTE
DIVISION DE INGENIERIAS
PROGRAMA DE INGENIERIA MECANICA
SANTIAGO DE CALI
1997
-
6t5"paW tf"? e
Q,/
Nota de aceptación
Aprobado por el comité detrabajo de grado en
\NI
t\
)
t\
N
\
*
\A
\
N-
N
a\\
{
$
\
r\\N\
\
Jurado
cumplimiento de los requisitosexigidos por la CorporaciónUniversitaria Autónoma deOccidente para optar el titulo
Santiago de Cali, Noviembre de 1997.
-
AGRADECIMIENTOS
El autor expresa su agradecimiento a:
A DANILO AMPUDIA, Ingeniero Mecánico, Director de esta tesis.
A todas aquellas personas que colaboraron de una u otra forma para quedicho trabajo se hiciera realidad.
ut
-
DEDICATORIA
A Hector Fabio Rojas que me impulso ainiciar mis estudios universitarios a travésde sus valiosos consejos
A mi familia que siempre me ha dado suamor, comprensión y apoyo.
A mi novia por todo el tiempo dedicado ysu gran apoyo para concluir esta tesis.
IV
-
TABLA DE CONTENIDO
INTRODUCCION
1. EL CAUCHO1.1 GENERALIDADES1.1. Descubrimiento del Caucho1.2 PROTECCION Y RECOLECCION DEL CAUCHO1.2.1 Plantas cauchiferas y plantaciones..
1.2.2 Plantación de la heveaI.3 PLANTACION DEL LATEXI.3.I RECOLECCION DEL LATEX2.. EL LATEX2.1 COMPOSICION Y PROPIEDADES2.1.1 Generalidades2.2 PROPIEDADES FISICAS DEL LATEX.2.2.1 Densidad.?.2.? Viscosidad
Pág
1
?
3
3
o
7
x
I
10
10
10
12
12
12
-
:.:.)
'1 1¿.
1',rs
3
3.1
3.2
J.J
2
2.1
- 2.t.1
?.t.2
?.?
2.3
2.3.1
2.3.2
J.).J
2.4
Tensión superficial
Ph
Conductividad eléctrica
PREPARACION INDUSTRIAL DEL CAUCHO
PREPARACION DE LA HOJA AHUMADA
PREPAMCION DEL CREPE PALIDO
PREPARACION DEL CREPES SECUNDARIOS
LA VULCANIZACION
GENERALIDADES
Historia
Definición
LOS AGENTES VULCANIZANTES
VULCANIZACION AL AzUFRE
Caso del azufre solo
Goma blanda y ebonita
Combinación azufre caucho
INFLUENCIAS DE LOS DIVERSOS FACTORES
4at+
14
15
15
16
18
20
21
21
21
23
24
25
25
26
27
28
30
34
34
35
?.5 FENOMENOS SECUNDARIOS2.6 AZUFRE Y ACELERANTES2.6.1 Aumento de la velocidad de vulcanización2,7 PARTICULARIDADES DE LA VULCANIZACION
vi
-
?.7 1
3
.1. I
3.2
3.2.r
3.2.2
J..t.J
3.2.4
3.2.5
J.J
3.3.I
J.J.Z
3.4
3.4.1
3.4.?
a.laJ.¿t. J
4
4.1
1.2
4.2.1
Aceleración retardada 39INTRODUCCION A LA HIDRAULICA 42GENERALIDADES 42PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS Y DEFINICIONES 43
Fluido 43Densidad, volumen específico, peso específico 44Densidad 45Viscosidad convencional 47lndice de viscosidad 48ESTATICA DE LOS FLUIDOS 48Presión en un liquido en rep'oso 49Ecuación fundamental de la hidrostática, principio
de Pascal
DINAMICA DE FLUIDOS
Definición
Ecuación de continuidad
Teorema de Bernoulli
FLUIDOS HIDRAULICOS
GENERALIDADES
OBJETIVOS DEL FLUIDO
Transmisión de potencia
49
52
54
55
56
59
59
59
60
-
4.2.2 Lubrificación 60
4.2.3 Estanqueidad 61
4.2.4 Enfriamiento 61
4.3 PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS HIDRAULICOS 62
4.3.I Viscosidad 62
4.3.1.1 Definición de viscosidad 64
4.3.1.1.1Viscosidad dinámica 64
4.3.1.1.2 Viscosidad cinemática 654.3.1.1.3 Viscosidad relativa SUS (segundos universales saybolt) 66
4.3.2 Números SAE 67
4.3.3 Indice de viscosidad 69
4.3.4 Punto de fluidez 69
4.3.5 Conducta viscosidad-presión 70
4.3.6 Compatibilidad con materiales 714.3.7 Resistente a cargas térmicas 714.3.8 Baja compresibilidad 71
4.3.9 Capacidad de lubrificación 72
4.3.l0 Reducida formación de espuma 73
4.3. | | Resistencia a fa oxidación 73
4.3.12 Elevada densidad 74
4.3.13 Desemulsibilidad 75
\'il1
-
4.3.14 Uso de aditivos
4.3.15 Buenafiltrabilidad
76
76
77
78
78
79
80
80
81
81
83
83
84
84
85
87
87
89
90
90
90
ACEITES MINERALES
FLUIDOS ININFLAMABLES
Agua glicol
Emulsiones agua-aceite
Aceite en agua
Agua en aceite
Fluido sintéticos
COMPATIBILIDAD DE LAS JUNTAS
DEPOSITOS Y FILTROS
GENERALIDADES
DEPOSITOS
Construcción del depósito
Respiradero
Placa desviadora
TAMAÑO DEL DEPOSITO
FILTROS Y COLADORES
Filtro
Colador
SELECCION DEL FILTRO
t:i
-
5.6
6
6.t
6.2
6.2.1
6.3
6.3. I
6.4
6.4.1
6.5
6.5.l
6.5.2
6.5.3
6.6
7
7.2.1
7 .2.1.1
7.2.1.2
REFRIGERACION DEL SISTEMA
CONDUCCIONES HIDRAULICAS
GENERALIDADES
cLAStFtCACtON
Presión de trabajo
ESPECIFICACION DE TUBERIA
Schedule
MATERIALES PARA LOS TUBOS
Tubos de cobre
CONDUCCIONES FLEXIBLES
El tubo
El refuerzo
La cubierta
CONSIDERACIONES HIDRAULICAS
CILINDROS HIDRAULICOS
GENERALIDADES
PRINCTPALES TIPOS DE CILINDROS SEGÚN SU
EFECTO
Cilindros de simple efecto
Cilindros a pistón de inmersión o a pistón sin vástago
Cilindro con retroceso por resorte
92
98
98
98
100
102
103
103
105
105
106
106
107
107
110
1107.1
7.2
112
112
113
114
-
HIDRAULICOS
7.3.1 Cilindros tandem
7.3.2 Cilindrotelescópico
7.4 PRINCIPIOS CONSTRUCTIVOS7.4.1 Construcción por tirantes
7.4.2 Construcciónredonda
7.5 FABRICACION DEL CILINDRO7.6 MODOS DE FIJACION E INDICACION
7.2.2
7.2.2.1
7.2.2.2
7.3
7.7
7.8
7.9
I
8.1
8.2
8.2.,
8.2.2
Cilindros de doble efecto
C i I indros diferenciales
Cilindros de doble vástago
FORMAS ESPECIALES DE CILINDROS
DEL MONTAJE
EMBOLOS
VASTAGOS
RESISTENCIA DE I-OS CILINDROS
BOMBAS
GENERALIDADES
TIPOS DE BOMBAS
Bombas de engranajes
Bombas de paletas
115
116
117
118
118
119
121
121
124
125
'126
128
129
131
135
135
136
136
142
xt,
-
8.2.3 Bombas de pistones
8.2.3.1 Bombas de pistones en linea
8.2.3.2 Bombas de pistones radiales
8.2.4 Bombas de pistones axiales
8.3 Funcionamiento del compensador
9 ELECCION DE UNA BOMBA
9.1
9.2
9.2.1
9.2.2
9.2.3
9.2.4
9.2.5
9.2.6
9.2.7
9.2.8
10
t0. I
lo.2
to.2.l
t0.2.2
GENERALIDADES
FACTORES DE SELECCION
Presión de trabajo
Capacidad y potencia
Rendimiento
Velocidad
Fluido
Ruido
Costo
Mantenimiento y servicio
VALVULAS DI RECCIONALES
GENERALIDADES
CLASIFICACION POR EL NUMERO DE VIAS
Válvulas de dos vias
Válvulas de tres víás
145
145
147
148
152
155
155
156
156
159
161
165
165
167
167
168
169
169
170
170
171
xll
-
10.2.3 Válvulas de cuatro vías
10.3 ELEMENTOS DE VALVULAS
10.3,I La de cierre total
1O.3.2 Corredera de centro abierto
l0 3.3 Corredera de centro parcialmente abierto
10.3.4 Corredera de derivación o "by pass"
10.3.5 Corredera de derivac¡ón central l
10.4 FORMAS DE ACCIONAMIENTO11 VALVULASI I.I GENERALIDADESII.2 CLASIFICACION DE LAS VIAS11.2.1 Válvulas de control de flujo
11.2.2 Válvulas de secuencia
11.2.3 Válvulasantirretorno
11.3 VALVULAS DE CONTROL DE PRESION1 1.3.1 Válvula de seguridad
1 1 .3.1 .1 Válvula de seguridad simple
1 1.3.1.2 Válvula de seguridad piloto
11.3.2 Válvula reductora'de presión
11.3.3 Válvula de descarga
12 FUNCIONAMIENTO HIDRAULICO
172
174
174
174
175
175
175
179
181
181
182
182
184
186
187
188
189
189
191
191
195
xill
-
I2.I GENERALIDADES12.2 CIERRE Y APERTURA DE LOS PLATOS
DE CALEFACCION
13 DISEÑO DEL SISTEMA OLEOHIDRAULICOI3.I DISEÑO DE LOS CILINDROS HIDRAULICOS13.l.l Diseño del cilindro principal13.1.2 Diseño del cilindro hidráulico auxiliar
13.2 CALCULO DE LA PRESION DE LA BOMBA13.3 CALCULO DEL CAUDAL (cpM) REQUERTDO13.4 CALCULO DE LA POTENCIA DEL MOTOR
HIDRAULICOS
I3.8 CALCULO Y DIMENSIONAMIENTO DE LOSCILINDROS HIDRAULICOS
13.8.1 Espesor de la pared:cilindro principal
13.8.2 Espesor de la pared: cilindro auxiliar
ELECTRICO 2',lo
I3.5 CALCULO DEL DIAMETRO DEL VASTAGO PARA ELCILINDRO PRINCIPAL 211
I3.6 CALCULO DEL DIAMETRO DEL VASTAGO PARA LOSCILINDROS AUXILIARES 213
13.7 MATERIAL DEL VASTAGO PARA LOS CILINDROS
195
196
201
201
201
204
206
208
214
214
215
216
¡{lv
-
13.8.3 Cálculo a pandeo del cilindro principal
13.8.4 Calculo de la tapa de fondo del cilindro
I3.9 SELECCION DE COMPONENTES HIDRAULICOS
216
219
220
220
221
222
223
225
226
226
227
228
229
230
230
231
232
233
233
t3.9.1
13.9.2
l3.9.3
13.9.4
13.9.5
13.9.6
13.9.7
13.9.8
13.9.9
| 3.9.10
t3.9.1I
t3.9.12
|3.9.t3
13.9. t 4
14
DEL SISTEMA
Bomba hidráulica
Electroválvula direccional de doble solenoide
Electroválvula direccional sencilla
Filtro de succión
Filtro de retorno
Filtro de llenado
Válvula reductora de presión
Válvula de secuencia
Válvula check
Presóstato
Manómetros
Válvula check pilotada
Válvula de control de flujo
Visor de nivel
PUESTA EN MARCHA Y MANTENIMIENTO
DE EQUIPOS OLEOHIDRAULICOS
GENERALIDADESt4.l
-
14.2 PUESTA EN MARCHA DE EQUIPOS
OLEOHIDRAULICOS
¿Esta todo limpio?
¿Esta todo correctamente conectado?
¿Están todas las piezas ajustadas y alineadas?
Fluido
Graduación de la presión
Motores eléctricos
Ajuste
Actividades finales.
MANTENIMIENTO DE EQUIPOS OLEOHIDRAULICOS
MANTENIMI ENTO PREVENTIVO
CUANDO Y PORQUE CAMBIAR EL ACEITE DE SU
SISTEMA HIDRAULICO
t4.2.1
t4.2.2
14.2.3
14.2.4
14.2.5
14.2.6
r4.2.7
t4.2.8
t4.3
14.4
14.5
233
234
234
235
235
235
236
236
237
237
240
14.6 PROPIEDADES DEL ACEITE14.7 ANALISIS DEL ACEITEI4.8 SELECCION DEL ACEITE14 9 CONSERVACION DEL ACEITE EN SERVICIO
CONCLUSIONES
BIBLIOGRAFIA
240
241
244
244
245
246
247
svt
-
LISTA DE TABLAS
Pág
TABLA 1 orden cronológico de ras sustancias vulcanizantes 26TABLA 2 Número SAE para aceite 6gTABLA 3 compatibitidad de fluidos hidráulicos y juntas g2TABLA 4 capacidad del deposito en función del volumen ggTABLA 5 Condiciones de filtración del sistema 91TABLA 6 Condiciones de filtración corponentes 92TABLA 7 Temperatura de trabajo para fluidos 94TABLA I Influencia de la temperatura en la duración de los aceites
TABLA 9
TABLA 10
TABLA 11
TABLA 12
valores generales duración de horas
Máximo coeficiente de trabajo admisible
para cálculos de tubos (l/3 carga máxima)
Tuberías por tamaños y números schedute
Acabado de superficies
Juntas para émbolos
95
101
104
127
130
xvtl
-
TABLA 13
TABLA 14
TABLA 15
TABLA 16
TABLA 17
TABLA 18
TABLA 19
TABLA 20
TABLA 21
Características de las bombas de engranajes
exteriores
Características de las bombas de engranajes
de paletas
Algunos tipos de bombas y sus aplicaciones
Selección de la bomba por presión
Selección de la bomba por rendimiento
Selección de la bomba por velocidades
de accionamiento
Distribuidores de control direccional
Tipos de correderay dispodición de los muelfe
Formas de accionamiento de las válvutas
141
143
158
159
163
166
177
179
180
Itvnt
-
LISTADO DE FIGURAS
Pá9.
FIGURA 1 Recolección de látex 10FIGURA 2 Preparación de hoja ahumada 1TFIGURA 3 Plano del ahúmadero 19FIGURA 4 Combinación del azufre y del caucho a 135 .
(azufre total: 37%)' 29FIGURA 5 Combinación de azuÍrey del caucho a 135 .C
(azufre total 10 %) 31FIGURA 6 Combinación de azufre y del caucho a i35 " y
a 155" C (azufre total 155 "C) g2
FIGURA 7 Influencia de la temperatura de vulcanización sobrelas propiedades mecánicas de un vulcanizado
caucho-azufre a 147 "C 33
xix
-
II
I
I
I
FIGURA 8
FIGURA 9
FIGURA 1O
FIGURA 11
FIGURA 12
FIGURA 13
FTGURA 14
FIGURA !5
FIGURA 16
FIGURA 17
FIGURA 18
FIGURA 19
FIGURA 20
FIGURA 21
FIGURA 22
Influencia de la temperatura de vulcanización
sobre las propiedades mecánicas de un
vufcanizado caucho-azufre a 12O minutos
Efecto de plato
Acción aceleratriz retardada '
Gráfico de la ley de Newton de la viscosidad
Principio de Pascal
Transmisión de la presión de un liquido
encerrado en un recipiente
Flujo laminar
Flujo turbulento
Gráfica del teorema de Bernoulli.
Viscosidad en poises
Indice de viscosidad
Lubricación en piezas móviles
Capacidad de lubrificación
Tanque de aceite
Cilindro a pistón de inmersión o a pistón sin
vástago izq. Sin tope interno, der; con tope
interno (pistón guía)
35
38
41
46
50
53
57
57
5B
65
70
74
75
86
113
-
FIGURA 23 Cilindros a presión de efecto simple; izq. Con
resorte interno, der. Con resorte externo 115F|GURA 24 Cifindro de vástago unilateral 117FfGURA 25 Cilindro con vástago en ambos lados 117FIGURA 26 Cilindro en tandem 119F|GURA 27 Cilindro telescópico Oe simple efecto 12OFIGURA 28 Cilindro hidráulico en construcción por tirantes
con fijación por brida en la cabeza del tornillo 122FIGURA 29 Cilindro hidráulico en construcción por tirantes
con ojo articulado en la base del cilindro 129FIGURA 30 cilindro hidráulico de construcción redonda con
brida en la cabeza del cilindro. 125FIGURA 31 Disposición de los intersticios de fuga en una
bomba de engranajes exteriores 1gTF|GURA 32 Esquema de una bomba de éngranajes internos 14oFIGURA 33 Funcionamiento de una bomba hidráulica de
144paletas
FIGURA 34 Bomba de pistones en línea 149FIGURA 35 Esquema típico de una bomba de pistones
radiales 150
ssl
-
FIGURA 36
F¡GURA 37
FIGURA 38
FIGURA 39
FIGURA 40
FIGURA 41
FIGURA 42
FIGURA 43
FIGURA 44
FIGURA 45
FIGURA 46
FIGURA 47
FIGURA 48
FIGURA 49
FIGURA 50
FIGURA 51
FIGURA 52
FIGURA 53
Variación del caudal de una bomba de pistones
radiales 150Bomba de pistones axiales 151Bomba de pistones en ángulo 152Funcionamiento del compgnsador 154Gráfica de Caudal vs presión 161Gráfica caudal vs desplazamiento 162Símbolo de una váivula de dos vías 171Esquema de una válvula direccional de dos vías 174Conexiones para los distribuidores de tres vías 175Esquema de funcionamiento de un distribuidos
de cuatro vías
Esquema de funcionamiento de la válvula
de 4 vías
Tipos de corredera
Válvula de estrangulamiento
Válvula de secuencia
Válvula antirretorno
Válvula de seguridad simple
Válvula de seguridad pilotada
Válvula reductora de presión
176
177
178
183
, 185
188
190
192
193
xxll
-
FIGURA 54
FIGURA 55
Válvula de descarga
Datos para la selección de la bomba hidráulica
194
211
¡ixnl
-
LISTADO DE ANEXOS
Pág.
ANEXO 1 Nomográma para la selección de diámetro dela manguera 248
ANEXO 2 Modos de fijación de cilindros hidráulicos detirantes 249
ANEXO 3 Indicaciones de montaje 25OANEXO 4 Simbofos gráficos 252ANEXO 5 Tipos de montaje de los cilindros y soportes de
vástagos para calcular los esfuerzos de columna
de los vástagos 2SgANEXO 6 Diagrama para determinar las dimensiones del
vástago 2OO
IANEXO 7 Materiales para la construcción de cilindros yvástagos 261
ANEXO I Montajes de vástagos y cilindro 2O2ANEXO I Longitud de pandeo en función de la longitud 269
)r:ilv
-
ANEXO 10
ANEXO 1 1
ANEXO 12
ANEXO 13
ANEXO 14
ANEXO 15
ANEXO 16
ANEXO 17
ANEXO 18
ANEXO 19
ANEXO 20
ANEXO 21
Bomba de desplazamiento variable
Válvula direccional de cuatro vías
Filtro de succión
Filtro de retorno
Filtro de llenado
Válvula de secuencia
Válvula reductora de presión
Válvula check
Presóstatos Atos
Manómetros
Válvula check pilotada
Váfvula control de flujo
264
267
270
271
272
273
274
276
277
279
280
283
-
LISTADO DE PLANOS
Pág.
PLANO 1 sistema hidráulico para prensa de vulcan izado 2g4PLANO 2 Prensa erectrohidráurica de vurcanizado por
compresión de 200 Ton. 2gs
' ¡i¡rvi
-
RESUMEN
El proyecto consiste en el cálculo y diseño de un sistema oleohidráulico para
una prensa de vulcanizado. Para poderlo ejecutar se requiere conocer todo
lo relacionado al caucho, su historia, métodos de obtención y sus
aplicaciones, también sobre el'vulcanizado en el cual se dará su definición,
historia, los diversos procesos de vulcanizado y aplicaciones. Después de
conocer lo referente a estos temas se hará una introducción a la hidráulica
para conocer sus principios de operación y entrar a ideintificar los
parámetros de diseño del sistema (velocidades, presiones, caudales, fuerzas
arealizar etc.) ya que con base a ellos se podrá realizar el circuito hidráulico
y poder calcilar los componentes de la unidad (bomba hidráulica, controles
de flujo, válvulas direccionales, controles de presión tuberías, etc). se
tomaran como referencia productos que se consiguen comercialmente, esta
selección se hará por catáiogo utilizando la marca Sperry-vickers, se hará
énfasis en el diseño de los citindros hidráulicos donde se dará a conocer
tipos, dimensionamiento, materiales de fabricación, espesores de pared, etc.
xxvtl
-
posteriormente se hará un estudio del aceite hidráulico que se puede utilizar
y se dará una guía sobre ei mantenimiento del sistema.
xxt4lt
-
INTRODUCCION
se realizará er diseño de 'un sistema hidráulico para una prensaefectrohidráulica de vulcantzado por comprensión para 200 ton. La prensa
posee tres platos de calefacción; los cuales tienen en su interior resistencias
eléctricas que atraviesan ros mordes en su totaridad, para rearizar elcalentamiento de los moldes y alcanzar la temperatura de trabajo requerida
para realizar el proceso de vulcanizado.
La prensa cuenta con cuatro cilindros hidráulicos, dos de simple efecto y dos
de doble efecto, ros primeros son ros encargados de dar ra capacidad de ra
máquina y los segundos de hacer subir y bajar ros primeros.
Ef diseño de los elementos o componentes hidráulicos se realizarátomando
la marca Sperry Vickers de sus catátogos @ELECTRONICS catatoq 400 V
U¡iv¡rsided Aulónoma dc 0ctldorl¡SECCION SIBLIOTECA
-
2
Se ha escogido esta marca por ser una de las más utilizadas en la industria.
Para la fabricación de piezas en caucho se utilizan moldes que poseen la
forma de la pieza que se requiere, estos moldes se encuentran adheridos a
los platos de calefacción los cuales le transmiten el calor a los moldes.
Al introducir el caucho crudo en los moldes, estos le transmitirán el calor, y
la prensa los compresionará a unas condiciones de tiempo y temperatura
determinados, obteniendo un caucho vulcanizado con propiedadesmejoradas.
Algunos productos vulcanizados en nuestra industrias son:
Bandas transportadoras
Tapetes para automóviles
Pisos en caucho
o Llantas
o Partes para la industria automotriz
Es por esto que cada día se está haciendo más fuerte el uso del caucho
para reemplazar cualquier tipo de pieza ya $re los materiales vulcanizados
están mejorando sus propiedades a un bajo costo y de manufactura sencilla.
-
1. EL CAUCHO
1.I GENERALIDADES
1.1.1 Descubrimiento Del Caucho
Es probable que Cristóbal Colón fuera el primer europeo que manipulara el
caucho según el celebre historiador Antonio Dr. Herrera que describe los
viajes y conquistas de los españoles, cristóbal Colon, en el curso del
segundo viaje a América (1493-1496)- hab-ría en efecto, tenido conocimiento
de un juego de los indígenas de Haití, en el cual utilizaban pelotas
constituidas de una resina elástica.
Pero fue solamente hacia el año 1615 cuando se llegó a conocer por medio
de una obra titulada de la monarquía indiana, algunas aplicaciones útiles del
caucho. Juan de Torquemada describe la fabricación de un producto
denominado "Ulei", preparado por los.indígenas de México utilizando Látex
de un árbol llamado "ule" al objeto de impermeabilizar sus vestidos.
-
Sin embargo, el interés que Europa debía prestar a este producto por sus
numerosas aplicaciones prácticas, no fue despertado hasta mucho tiempo
después y gracias a dos sabios franceses: La condamine y Fresneau.
La Condamine había sido enviado por la Academia de Ciencias de parís a
América del Sur para medir qn arco de meridiano a ia altura del Ecuador.
Durante los ocho años que duro esta misión de 1Tg6 a 1744, lasobservaciones mas diversas fueron hechas sobre las ciencias naturales. La
Condamine envió a la Academia de Ciencias algunos trozos de una masa
pardusca semeiante a la resina; procedían de un árbol que los indígenas
llamaban "Heve", y cuya fortateza rasgada dejaba escurrir un liquido blanco
lechoso, que se solidificaba y oscurecía gradualmente al aire.
Hizo observar que el mencionado árbol crecía en las márgenes delAmazonas, y que los indios Mainas llamaban a la materia obtenida ,,Caucho,,
(denominación compuesta de dos palabras: caa, Madera y o-cho Fluir o
llorar).
El ingeniero Fresneau, que vivía en la Guyana, nos ha dado descripciones
detalfadas del árbol del caucho que en 1762 lo llamó Hevea Guianensis.
Muy pronto se percato que los árboles de caucho no eran exclusivos de
-
América ni del genero Hevea, pues existían otras plantas capaces de
producir esta sustancia, tanto en Áfr¡ca como en Asia.
Las diversas plantas conteniendo látex con caucho son numerosas y se
encuentran un poco repartidas por toda las superficie del globo, sobre todo
en la zona intertropical. Algunos de estos árboles alcanzan proporciones
enormes, como los Heveas y los Ficus; otros tienen porte de lianas, como el
genero de las Landolphia; otros se reducen a pequeños arbustos, como el
Guayule, o incluso a simples matas herbáceas, como el kok-saghyz. Todas
las plantas no son susceptibles de ser explotadas industrialmente, puesto
que no se trata solamente de recolectar el caucho silvestre, sino de
emprender el cultivo en gran escala con el mayor rendimiento. El árbol
elegido con este fin ha sido el Hevea Brasiliens. De este árbol provienen
actualmente casi la totalidaO O"l caucho puesto sobre el mercado.
Sin embargo la idea de establecer plantaciones de caucho no surgió hasta
que las demandas de este producto alcanzaron grandes proporciones, es
decir, después de descubrimientos que permitieron la utilización practica de
este caucho para la industria.
-
1.2 PROTECCION Y RECOLECCÉN DEL CAUCHO
1.2.1 Plantas Cuchiferas Y Plantaciones
Existen en la naturaleza gran variedad de plantas productoras de caucho
que contienen un aspecto de lechoso, llamado por esta razon látex, y que en
suspensión de caucho es un suero acuoso, como la leche es una
suspensión de materias grasas.
Estas plantas, muy numerosas, y que pertenecen a especies botánicas
extremadamente variadas, están repartidas 'especialmente
en .la zona
intertrópical; en particular se las encuentra en la.parte norte de América del
sur, en el Eirasil, en América Central en África, desde Marruecos hasta
Madagascar; en Ceilán, en la parte Meridional de la India, en Indochina, en
Tailandia en Malasia, y en Indonesia.
Es evidente que no todas las plantas productoras de caucho pueden ser
explotadas industrialmente, bien porque el rendimiento del látex seademasiado bajo, ya que las cantidades de caucho contenidas en el látex
sean insuficientes, ya, en fin, porque el caucho suministrado vayademasiado mezclado con superficies extrañas, tales como las resinas.
-
Desde que el interés comercial e industrial del caucho se ha manifestado, se
ha buscado un medio de racionalizar su recolección creando plantaciones
con aquellos árboles considerados los mejores productores de caucho.
Con este fin comenzaron las plantaciones experimentales de Ficus Elástica,
Funtumia, Castilloa y Manihot, Pero estas plantaciones desaparecieron
rápidamente ante el cultivo de la Hevea Brasiliens, cuya superioridad
indiscutible se revelo en seguida.
Las plantaciones de Hevea Brasilienes cubren más de cuatro millones de
hectáreas, que se reparten principalmente entre Malasia, lndonesia,
Ceilán e Indochina (Viet-Nam, Cambodia). Estas plantaciones suministran el
97oA del caucho natural.
1.2.2.Plantación Del Hevea
Ef Hevea posee una altura media de 2o metros. En un suelo adecuado, con
su raíz napiforme se adentra profundamente y asegura a la vez una sólida
fijación, amplias facilidades de alimentación y una gran resistencia a la
sequía.
-
Una vez el año pierde sus hojas; su fruto, característico de las Euforbiaceas,
se compone de una cápsula con tres lóbulos, cada uno de los cuales
enciena una semilla.
El establecimiento de la plantación exige una elección minuciosa del terreno
siendo los suelos los que más favorecen, en general los arcillo-arenosos,
naturalmente drenados, cubiertos de bosque y ricos en alimentos y. sustancias orgánicas.
En esencia, la técnica moderna consiste en plantar solamente razas
seléccionadas, es decir, plantas injertadas o plantas obtenidas de semillas
seleccionadas.
1.3 EXPLOTACION DEL HEVEA
Tiene como fin la recolección y el tratamiento del Látex hasta transformarlo
en caucho bruto o su expedición en estado líquido.
1.3.1 Recolección del látex
El Látex esta contenido en una red de tubos capilares ó tubos lacticíferos
que se encuentran por todas las partes vivas de la planta.
-
Sin embargo, estos tubos capilares no se encuentran más que en la corteza,
no existiendo en el leño. Si se practica una incisión en la corteza del árbol,
se produce una abertura en el depósito constituido por los vasos lactiferos y
en consecuencia, fluye el látex a lo largo de la incisión. Este derrame cesa
af cabo de 2 a 5 horas, y el látex exudado se coagula sobre la incisión como
la sangre se coagula sobre una herida.
La sangría se efectúa durante las primeras horas de la mañana, después de
haber sangrado sucesivamente todos los árboles designados, el sangrador
vuelve al primero y retira el recipiente en donde ha escurrido el látex y lo
vierte en un cubo. (Ver figura 1).
El rendimiento del.Látex varia de forma importante según la naturaleza de
los árboles. Los Hevea de semillas no seleccionadas suministran de 500 a
600 Kg de caucho seco por hectárea y año. pero en plantacionesmodernas, ciertas superficies pueden alcanzar o sobrepasar de 2000 kg.
-
l0
2 EL LÁTEX
2.I COMPOS¡CION Y PROPIEDADES
2.1.1 Generalidades
El látex es una dispersión de caucho en un suero acuoso que contiene
diversas sustancias orgánicas o minerales en solución.
Figura I Recolección del látexFuente: LE BRAS, jean Fundamentos de ciencia y tecnología del caucho.
3 de.Barcelona: Gustavo G¡l¡, 1960 40 p.
Limitc srperior dc lc sonEioo- | --l-Cútezo vigat dd 2'ponCdel prlmcr pod I
cortezo o sdnqror- 5\ l'Regu,cr..o pc dondc llup el l6tex
. Songrios tuturos af,g}{-/C_ | -Conol6n intrcdr¡cido
soporte dc lo rcsilr dd lótex
Vosi! poro rccogcr d loter
de un órbol preporodo poro el songrodo en
i..-j
-
il
En el estado actual de nuestros conocimientos, se sabe qr" "l látex seforma en un sistema laticífero independiente del sistema vascular normal.
pero se conocen muy pocos datos en relación con su origen fisiológico.
Ciertos autores, como Harries y Ditmar, pensaron que el caucho era un
producto resultante de la transformación de los azúcares y en especial de
las pentosanas. Otros investigadores ven una relación entre la elaboración
del caucho y el consumo de las reservas de almidón. Prokofiev dedujo de
sus trabajos que la síntesis del caucho se verifica verdaderamente en los
laticíferos a partir de los hidratos de carbono y según el esquema siguiente:
monosaéri dos-acetona-aceta I deh ido-i sopreno-caucho.
Más recientemente, J. Bonner, como consecuencía de.sus investigaciones
efectuadas en el guayule, ha emitido una teoría según la cual la formación
del caucho se desarrollaría por el proceso siguiente: el ácido acético,
reaccionando sobre la acetona, produciría el ácido Beta-metílcrotónico, que,
por autopolicondensación seguida de reducción, conduciría a las cadenas
isoprénicas. Los trabajos de Teas sobre el hevea han confirmado la función
representada por el ácido acético.
-
t2
2.2 PROPIEDADES FISICAS DEL LATEX
Este es un líquido blanco, opaco, de aspecto análogo al de ta leche; fresco,
puede presentarse con un color más o menos amariltento según su origen,
pero a veces tiene color gris, sobre todo en el curso del almacenaje, por el
sulfuro de hierro procedente de los recipientes, así como de los productos de
fermentación.
Ciertas propiedades del látex evolucionan en el transcurso del tiempo,
incluso cuando se le añaden agentes de preservación, como consecuencia
de modificaciones sufridas por los constituyentes del no+aucho.
2.2.1Densidad
El peso específico del látex está comprendido entre o,gz3 y 0,929; este peso
específico es la resultante de los pesos específicos del suero (1.02) y el de
las partículas de caucho en suspensión (0,91). La determinación de la
densidad constituye una medida aproximada de la cantidad de caucho
contenido en el látex.
-
t3
2.2.2 Viscosidad
El látex es un líquido no newtoniano y frecuentemente tixótropo; la
determinación de la viscosidad en valor absoluto es delicada. En la práctica
se refieren siempre los resultados obtenidos a un mismo aparato en las
mismas condiciones. Se utiliza en Francia el método llamado de "La caída
de la bola", que consiste en medir la vélocidad del desplazamiento de una
bola de acero en el interior de un tubo de vidrio calibrado lleno de látex
La viscosidad del látex puede variar en grandes proporciones: causa
principal de esta variación es la concentración en caucho; la viscosidad de
un fátex fresco de 35o/o de 'caucho está comprendida entre 12 y 15centipoises, mienfras que la de un látex concentrado con 60% de caucho
está comprendida entre 4o y 12o centipoises, considerada el agua como
unidad (1 centipoise).
Pero ta concentración de caucho no es la única causa de variación. Hay
látex que, con la misma cantidad de caucho, pueden tener viscosidades
diferentes: entre los factores responsables de esta divergencia se pueden
citar la dimensión de las partículas, el método de preservación, el tiempo de
almacenamiento, etc.
-
l{
2.2.3 Tensión superficial
La fase acuosa del látex contiene un gran número de sustancias que rebajan
la tensión superficial. La tensión superficial de un látex normal está
comprendida entre 38 y 40 dinas/cm, contra 71-72 que presenta el agua. El
mejor método para medir la tensión superficial del látex es el que utiliza el
aparato de Lecomte du Nouv (Desprendimiento de anillo).
2.2.4 Ph
El valor de Ph en el látex tiene una gran influencia sobre la estabilidad; este
Ph es ligeramente alcalino en el momento de la sangría, pero rápidamente
se vuelve ácido; esta acidez se desarrolla como consecuencia de la acción
de ciertos microorganismos o enzimas que existen en el látex-
El Ph del látex preservado con amoniaco es alrededor de 10,3.
La medida del Ph del látex se efectuaba primeramente por métodos
colorimétricos. Estos han sido'abandonados por falta de precisión dada la
opacidad del látex. Actualmente se ha generalizado el empleo del electrodo
de vidrio, que permite medidas rápidas y sensibles.
-
t5
2.2.5 Conductividad Eléctrica
La conductividad del látex, ligada a los compuestos ionizables del suero,
varia en razón inversa al contenido del caucho. Esta conductividad
evoluciona rápidamente en el látex fresco, siempre que éste se encuentre
insuficientemente preservado, demostrándose entonces que está en relación
con el contenido de ácidos grasos volátiles, los cuales tienen una influencia
perjudicial sobre la estabilidad mecánica.
3. PREPARACION INDUSTRIAL DEL CAUCHO
El látex recolectado es tratado de forma conveniente para extraer el caucho;
para esto hay que coagular el látex.
La coagulación del látex, puede ser definida como el agrupamiento de todas
las partículas de caucho.
El látex desde su llegada a la fábrica, se filtra y vierte en grandes recipientes
de una capacidad de 2500 litros.(2.5 mt¡. Después se diluye hasta llegar a
una concentración flja de caucho comprendida entre el 12 y 2O%.Seguidamente se transvasa a los baños de coagulación, los cuales tienen
una capacidad de 700 a 1500 litros en donde se le mezcla cuidadosamente
-
t6
fa solución del agente coagulante (Acido acético al 1o/o ó ácido fórmico al
0,5%).
Los baños de coagulación son rectangulares y contienen tabiques óparticiones dispuestos de una manera óspecial, de tal suerte que el coagulo
puede formar una lámina continua.
Cuando la mezcla de látex y el agente de coagulación está bien
homogeneizada, se bajan los tabiques y se deja efectuar la coagulación.
Esta operación se termina después de tres ó cuatro horas, obteniéndose así
una banda lisa y continua de coagulo, que será lavada, enjuagada y por
último secada. Sin embargo las condiciones de este tratamiento difieren un
poco de cuando se trata de obtener crepé u hoja pálida.
3.I PREPARACION DE HOJA AHUMADA
En la preparación de esta última, las placas de coágulo son dirigidas por
canales en las cuales circula agua, hacia el juego de laminadores (Ver figura
2l; aquí el caucho es prensado y lavado al mismo tiempo. Estoslaminadores, lo mas frecuente en número de cuatro, poseen cilindros lisos
girando a la misma velocidad excepto el último, cuyos cilindros contienen
-
t7
grabados que imprimen a las hojas dibujos característicos, facilitando el
secado al aumentar la superficie de evaporación.
Figura 2 Preparación de hoja ahumada
Fuente: LE BRAS, jean Fundamentos de ciencia y tecnología del caucho.3 ed. Barcelona: Gustavo G¡l¡, 1960 44 p.
A la salida, la banda de caucho, con un espesor de 3 a 4 mm, es cortada en
hojas, las cuales se colocan sobre estante fijados en carritos. Después de
escurridas se conducen al secador del ahumadero. Esta operación tiene por
objeto secar el caucho e impregnar el caucho de sustancias creostadas que
desempeñan el papel de antioxidantes y antisépticos. La Figura 3 muestra el
plano de un ahumadero. El ciclo completo de secado con humo dura de dos
DEPOSITO DE RECEPCION
DEL LAIEX
Esquemo de un lominodor
-
l8
a cuatro días, elevándose progresivamente la temperatura de 45 a 60 oC.
Una vez secadas las hojas, se seleccionan, separando aquellas que
presenten defectos.
Ciertas plantaciones preparan igualmente hojas secadas al aire, pero
suprimiendo el ahumado. De esta forma resultan hojas claras, que son
apreciadas para ciertas fabricaciones.
3.2 PREPARACION DEL CREPE PALIDO
La preparación del crepé pálido difiere un poco de la preparación de la hoja
húmeda. A la salida del baño del coagulación, las hojas de coaguto pasan
sucesivamente por varios crepedores (laminadores), generalmente un
número de cuatro.
Estos crepedores son unas máquinas constituidas en esencia por dos
cilindros paralelos que, a diferencia de los cilindros utilizados en lapreparación de hojas, giran a velocidades diferentes y llevan en su superficie
estrías o canaladuras. Poi' consiguiente, el caucho, que sufre un gran
número de pasadas entre lob cilindros se estira y se desgarra; como además
la operación se verifica ante una corriente de agua, el lavado se verifica en
forma extremadamente eficaz. este crepé contiene menos constituyentes no-
-
l9
.caucho, particularmente prótidos; por tanto no necesita ahumado para su
conservación.
Figura 3 Plano del ahumadero
Fuente. LE BRAS, jean Fundamentos de ciencia y tecnología del caucho.3 de. Barcelona: Gustavo G¡li, 1960 45 p.
Con relación al secado, es posible efectúa a la temperatura ordinaria
siempre que se dispongan de secadores ventilados. Sin embargo, la
costumbre es operar, generalmente en aire caliente, valiéndose de
Cóm. de humos
o,
IEl8tc,lolctt=ta
.E(-)
Esquemo de un dispositivo ohumodero-secodor
Productor de. humos
Coldero
ffilsEccr0N BIBLIoTECA I
-
20
termoventiladores; la temperatura a la cual se varia esta operación es de 40
a 45o C con una duración de cinco a seis días.
En el caso de fabricación de crepé suela (obtenido por superposición de
hojas delgadas de crepé, sometidas a presión),se procura conseguir un
producto tan blanco como sea posible. A tal fin se practica frecuentemente
una precuagulación que permita separar la fracción más amarilla.
3.3 PREPARACóN DE CREPES SEGUNDARIOS
Los llamados crepés secundarios están preparados con los desechos
formados en el curso de la recolección y de la fabricación.
Los principales desecho son: el. sernamby, banda de caucho coagulado
recogida en la entalladura de la corteza de la sangría: los cup scraps o
residuos del fondo, procedentes del látex escurrido de la entalladura
después de la recogida; el lump, que procede del caucho coagulado
espontáneamente durante el transporte; el scump, producido por la espuma
que reúne en la superficie de los baños de coagulación. El conjunto de estos
desechos se designa con el nombre de scraps. Contienen numerosas
impurezas, y por tal razón el lavado debe efectuarse esmeradamente.
-
2.LA VULCANIZACION
2.l.GENERALIDADES
La vulcanización es la reacción más importante del caucho crudo, siendo a
su vez la que ha dado lugar al enorme desarrollo de sus empleos.
2.1.1 Historia
En 1819 el investigador americano Thomas Hancock había observado como
los trozos de caucho recién cortados poseían la propiedad de pegarse
cuando se presionaban los unos contra los otros. Por esta raz6n penso que
debía ser posible, desmenuzando el caucho y soldando los recortes por
presión, preparar rápidamente objetos con las formas y dimensiones
deseadas. A esta operación le llamo masticación y la realizaba con un
aparato compuesto de un cilindro erizado de puntas, girando sobre otro
cilindro hueco, igualmente provisto de puntas.
-
22
La masticación permitía transformar el caucho bruto, elástico y resistente, en
una masa pastosa y plástica, a la cual es posible, no solamente darles todas
las formas deseadas sino también incorporarle sustancias sólidas
pulverizadas en grandes proporciones.
Sin embargo, este descubrimiento no tomo toda su importancia hasta 20
años más tarde, una vez hecho el descubrimiento complementario
indispensable: el de la "Vulcanización".
El origen del descubrimiento se debe a un feliz encadenamiento de
circunstancias fortuitas y es indiscutible que esta gloria pertenece al
americano Charles Goodyear.
Desde 1831, Goodyear realizaba experiencias tras experiencias con el
objeto de mejorar las cualidades del caucho; se esforzaba sobre todo por
encontrar un "secante" capaz de evitar la pegajosidad de los objetos
fabricados. En 1839 hizo la observación que debía revolucionar la
industria: El caucho crudo tratado con azufre a una temperatura superior a
su punto de fusión, sufre una transformación que mejora considerablemente
sus propiedades mecánicas, así como su resistencia a las variaciones de
temperatura.
-
23
A consecuencia de un contratiempo, una muestra cayo sobre un sartén, en
donde, calentada durante algún tiempo, comenzó a inflamarse. Goodyear lo
arrojo rápidamente fuera "Donde se helaban hasta las piedras". A la
mañana siguiente encontró la muestra que había resistido bien estos
bruscos tratamientos (El calor y el frío) convertida en blanda y elástica.
La intervención del calor, actuando en una muestra de caucho y azufre,
permitía fijar las cualidades tan valiosas del caucho: su elasticidad y su
resistencia; al mismo tiempo se suprimía su adhesividad.
Pero fue Hancock, inventor inglés, quién redescubrio la vulcanización y dio
nombre al procedimiento.
2.1.2 Definición:
Puesto que elfenómeno de la vulcanización no corresponde a su etimología,
ya que ha tomado un concepto mucho más amplio, es necesario darle una
definición más adecuada.'
Se podría decir que la vulcanización es una transformación del caucho que
tiende a hacerlo pasar de un estado predominantemente plástico a un
estado predominantemente elástico; pero esto podría hacer creer que la
-
2+
elasticidad es debida a la vulcanización, cuando, de hecho, es una
propiedad intrínseca de la molécula de caucho. Por tanto, la definición más
satisfactoria podría ser en la actualidad la siguiente: "La vulcanización es
una transformación del caucho que tiende a mantener su elasticidad
disminuyendo su plasticidad".
2.2 LOS AGENTES VULCANIZANTES
si recientes estudios de laboratorio han demostrado ta posibilidad de
realizar una vulcanización por intervención de la energía atómica, siempre
ha sido necesario en la práctica hacer uso de un agente vulcanizante
químico.
La tabla 1 indica, por orden cronológico, la lista de las principales sustancias
con acción vulcanizante reconocida, así como los nombres de los
investigadores que han estudiado su efecto primeramente.
Todos estos agentes poseen evidentemente una importancia variable desde
el punto de vista práctico; aunque algunas sustancias hayan podido
encontrar una cierta aplicación industrial, se puede decir que sólo el azufre
ha tenido realmente y tiene todavía un empleo universal. por tanto,
-
25
podemos basarnos en la acción del azufre para describir elfenómeno de la
vulcanización.
2.3 VULCANIZACION AL AZUFRE
2.3.1 Caso del azufre solo
Es el caso más simple. La incorporación de una cierta cantidad de azufre al
caucho se hace por malaxado. Cuando la mezcla está bien homogénea, se
coloca en un molde, el cual se aprisiona entre dos platillos al mismo tiempo
que se calienta. Cuando la temperatura sobrepasa el punto de fusión del
azufre, 110 nC, este se difunde por toda la masa y se disuelve parcialmente
en proporción variable, según las condiciones operatorias.
Parece cierto que se produce una combinación entre el azufre y el caucho,
puesto que es imposible, aplicqndo los diversos métodos de separación
química, encontrar la totalidad del azufre puesto en juego. La cantidad de
este azufre "combinado" varia evidentemente con la proporción incorporada
a fa mezcla, así como con la temperatura y la duración del calentamiento.
-
2(t
Tabla.l Orden cronológico de las sustanc¡as vulcanizantes.
Fecha Inventor Agente Vulcanizante1839 Goodyear Azufre1842 Hancock Azufre1846 Parkes Cloruro de Azufre1847 Burke Pentasulfuro de antimonio1912 Ostromislensky Derivados de nitrados1913 Klopstock Halogenuros de selenio y terurio1915 Ostromislensky peróxido de benzoílo1918 Peachey Azufre naciente (SO2 + H2S)1918 Boggs Selenio1921 Buizov Diazoaminobenceno y derivados1921 Romani Disutfuros de tetraalcoiltiouramos1925 Le Blanc y Króger Tiaocinatos de azufre1931 Fisher euinonas halogenadas1932 Edland Telurio1933 Fisher Fenoles o aminas mas agentes
antioxidantes1934 Midgley, Henne y compuestos organometálicos
Shepard1936 Fisher Ouinonas-iminas1939 Rubber-stichting Resinas fenol-formol activas1940 Dufraisse y Compagnon. Vulcanización por prótes¡s-síntesis
Fuente: LE BRAS, jean Fundamentos de ciencia y tecnología del caucho3 ed Barcelona: Gustavo Gili, 1960 S0 p.
2.3.2 Goma blanda y ebonita
En la práctica, los productos.están lejos de.tener el mismo valor, variando
sus propiedades según la cantidad de azufre combinado. se ha
considerado el porcentaje de 0,15olo partes de azufre como la cantidad
-
27
mínima que produce una vulcanización definida. Hasta un porcentaje de
azulre alrededor de 8-10% se obtiene un caucho vulcanizado blando. es
decir, el producto comercial corriente. No es necesario explicar que los
objetos del comercio no son únicamente compuestos de caucho y azufre;
otros ingredientes más ó menos numerosos y en proporciones variables
sabemos que se añaden a la mezcla según las necesidades.
Con ef 1O al 25o/o de azufre combinado se obtienen los productos llamados
semiebonitas, poco resistentes, poco elásticas y sin interés práctico; pero
cuando la proporción de azufre llega a ser de 25 aJ2o/o, al producto
obtenido lo llamamos ebonita, materia dura, muy resistente y con poca o
ninguna elasticidad.
2.3.3 Combinación azufre y caucho
Las experiencias de Spence y Young, que fueron llevadas a cabo sobre una
mezcfa conteniendo 37o/o de azufre, han permitido fijar las ideas sobre la
combinación que se opera en la simple mezcla de caucho y azufre. Spence
y Young calentaron esta mezcla a la temperatura de 135 oc, tomando
diversas muestras a diferentes intervalos de tiempo de calentamiento. Cada
una de estas mueslras eran después valoradas analizando las cantidades
respectivas de azufre combinado.
-
28
La figura 4 se muestra los resultados; se ha llevado a la gráfica la cantidad
de azufre combinado en función de la duración del tiempo de calentamiento.
La variación es lineal; el máximo es alcanzado alrededor de las 20 horab de
cocción, llegando en este intervalo de tiempo a32o/o la cantidad de azufre
combinada, y el "palier" obtenido en la curva indica cómo la combinación
cesa al llegar a esta proporción. Pero si incorporamos a una mezcla 10% de
azuÍre solamente en lugar de 37o/o, se comprueba que, en las mismas
condiciones de calentamiento, la velocidad de combinación del azufre es
mucho más débil. El máximo, esta vez, es de 8,47o de azufre y se alcanza,
como anteriormente, al cabo de veinte horas, y también la cantidad de azufre
combinado aumenta proporcionalmente al tiempo. (ver figura 5). Por otra
parte, la velocidad de combinación del azufre depende de la temperatura a
la cual es sometida la mezcla. En el caso actual, el coeficiente de
temperatura es aproximadamente 2,5, es decir, que la velocidad de la
reacción aumenta 2,5 veces por cáda aumento de 10 oC. ( ver figura 6).
2.4 INFLUENCIAS DE LOS DIVERSOS FACTORES
No sólo el azufre combinado es el único factor que influye en el valor de la
muestra. Las propiedades mecánicas de la $oma blanda, resistencia y
elasticidad, caracteres éstos de los cuales depende la ealidad del producto,
varían con la temperatura y la duración del calentamiento, y no es posible
-
2tl
apreciarlas, incluso aproximadamente, según la cantidad de azufre
combinado.
Para seguir los procesos de la Vulcanización es necesario medir las
propiedades mecánicas y más particularmente la resistencia a la rotura y el
alargamiento por tracción.
S total: 37%
32o/o
51015202530
HORAS DE CALENTAMIENTO A 135AC.
Figura 4. Combinación del azufre y del caucho a 135 oC (azufre total: 37%)
Fuente: LE BRAS, jean Fundamentos de ciencia y tecnología del caucho3 ed. Barcelona: Gustavo Gili, 1960 151 p.
Yo
DE
AzU
FRE
ffiü s¡cctoN BIBLIoTEcA I
-
30
Las gráficas siguientes muestran, respectivamente, la influencia de la
duración de vulcanización, de la temperatura y de la proporción de azufre
introducida en la mezcla.
La figura 7 corresponde a una mezcla de 100 partes de caucho y I partes de
azuÍre, que ha sido calentada a 147 oC, durante tiempos que varían de 90 a
240 minutos. Se ve que el aumento de duración de la vulcanización lleva
consigo un aumento de los módulos, pero también las resistencias a la
rotura pasan por un máximo.
Para la figura 8 la misma mezcla. caucho, 100 partes, y azufre, 8, ha sido
calentada durante 120 minutos a 140, 150 y 160oC . El aumento de
temperatura se traduce por una aceleración de la velocidad de
vulcanización, cosa que se hace patente por el aumento de los módulos de
la resistencia y alargamiento a máximo.
2.5 FENOMENOS SECUNDARIOS
De una manera general, una mezcla de 100 partes de caucho y I partes de
azufre, por ejemplo, necesita, para suministrar un producto resistente y
elástico, un calentamiento aproximado de 2 horas a 150 oC, y 5 horas
aproximadamente a la temperatura de 140 oC. Pero este producto se
conserva mal y pierde rápidamente las propiedades esenciales que él había
-
.31
o/o
DE
AzUFRE
obtenido, su resistencia disminuye y se desgarra al tacto; se dice entonces
que envejece. El calentamiento.prolongado sufrido por el caucho lleva
consigo una degradación molecular que lo vuelve más sensible a las
alteraciones; por otra p'arte, se comprueba que el caucho se deteriora tanto
más rápidamente cuanto más azufre combinado contiene.
S total:í0%S:8.4%
'1015202530HORAS DE CALENTAMIENTO A 135AC (408'K)
Figura 5 Combinación de azufre y del caucho a l35o C(azufre total:l0%)
Fuente: LE BRAS, jean Fundamentos de ciencia y tecnología del caucho.3 ed. Barcelona: Gustavo Gil¡, 1960 151 p.
Es preciso señalar también que el azufre ribre, que permanece en las
mezclas vulcanizadas, tiené tendencia a combinarse poco a poco con el
caucho dependiendo de las condiciones de almacenaje y del tipo de mezcla,
-
t2
produciéndose una postvulcanización que modifica las propiedades iniciales
def vulcanizado.
La vulcanización con azufre solo no se considera, por consiguiente, como
una práctica, pero la experiencia ha descubierto afortunadamente, desde el
comienzo de la industria del caucho, que, adicionándole ciertos productos a
las mezclas, se acelera la velocidad de combinación del azufre; éstos son
S: 32%
5r0152025 30
o/o
DE
AzUFRE
Figuratotal155 acl
Fuente:
HORAS DE CALENTAMIENTO A 135AC
6 combinación de azufre y del caucho a 135 a 155 ac (azufre
LE BRAS, jean Fundamentos de ciencia y tecnología der caucho3 ed Barcelona: Gustavo G¡li, 1gO0 152p.
-
los acelerantes de vulcanización, los cuales permiten reducir la duración de
esta operación y disminuir la proporción de azufre. Las investigaciones han
demostrado, en efecto, que se necesitaba muy poco contenido de azufre; la
dosis de 2O% que Goodyear había indicado en su patente de 1844 se ha
rebajado poco a poco y, prácticamente, hoy no llega más que a una cantidad
que oscila entre el2-3o/o.
Kg/Gm2
REsI
sT.
TRAccI
oN
200 400 600 800 1000 1200ALARGAMIÉNTO %
Figura 7 Influencia de la temperatura de vulcanización sobre laspropiedades mecánicas de un vulcanizado caucho-azufre
Fuente: LE BRAS, jean Fundamentos de ciencia y tecnología del caucho.3 ed Barcelona: Gustavo Gili, 1960 153 p.
-
:¡{
2.6 AZIJFRE Y ACELERANTES
Los acelerantes de vulcanización han llegado a ser indispensables en la
práctica. No es posible llevar adelante las modalidades de la vulcanización
sin tener en cuenta su existencia.
2.6.1 Aumento de la velocidad de vulcanización
Se ha dicho anteriormente que una mezcla de caucho y azufre necesitaba
alrededor de 5 horas de calentamiento a 140"C para suministrar un producto
vulcanizado técnicamente utilizable. Por adición de óxido de zinc a la
mezcla primitiva, la duración de vulcanización puede ser disminuida en una
hora. Con tiocarbanilida son necesarias dos horas solamente; con
mercaptobenzoliazol es suficiente una media hora; es, en fin, cuestión de
minutos con los tiuramos, y casi de segundos con ciertos ditiocarbamatos.
Estas velocidades varían también con la temperatura. Hay, pues, ta
posibilidad de efectuar la vulcanización a la temperatura y duración de
calentamiento que mejor se adapten al fin perseguido.
-
35
2.7 PARTICULARIDADES DE LA VULCANIZACION
La vulcanización es un proceso con evolución progresiva pasando la mezcla
de caucho, cuando es calentada, por estados sucesivos que son
característicos. Así, en el iurso del calentamiento en el molde de una
mezcla medianamente acelerada, se observan diversos fenómenos.
Kg/Cm2
F Icho . l0(fre:8
lrsü |fq / / >f"']
REs1I
sT. 1TR80Acc40I
oN
200 400 600 800 10oo 1200AI.ARGAMIENTO %
Figura I Influencia de la temperatura de vulcanizaciónpropiedades mecánicas de.un vulcanizado caucho-azufre
Fuente: LE BRAS, jean Fundamentos de ciencia y tecnología del3 ed. Barcelona: Gustavo G¡l¡, 1g60 1S3 p.
sobre las
caucho.
-
-1(;
Al cabo de unos minutos, la mezcla toma la consistencia de una pasta
pegajosa. Un poco más tarde, la muestra se desmolda fácilmente; es
blanda, conserva la deformación á que la sometemos y, si la cortamos, sus
secciones pueden pegarse entre sí; la mezcla ha sido fijada, ha alcanzado
su punto de fijación. Si seguimos calentando, el caucho se hace
progresivamente más elástico y más sólido. Se comprueba que la
resistencia a la tracción aumenta rápidamente, alcanzando así un máximo
más o menos aplastado. Se designa por cocción óptima u óptimo de
vulcanización el periodo más corto que, a una temperatura dada, confiere a
la mezcla el máximo de resistencia a la tracción.
Sin embargo, los valores de la resistencia o del alargamiento a la rotura
tienen una significación más que nada de laboratorio, porque la mayor parte
de los artículos de caucho no han de trabajar en tales condiciones. Se
utiliza con más frecuencia un término que nos da ciertas indicaciones sobre
el perfil de la curva carga-alargamiento; es el módulo, que expresa la fuerza
necesaria para llevar lá muestra a un alargamiento determinado. El módulo
nos da una especie de medida de la "rigidez" del caucho vulcanizado. un
módulo déb¡l corresponde a un producto blando, que se alarga fácilmente
con un pequeño esfuerzo; un módulo alto corresponde a un producto rígido.
-
37
Para una cocción más prolongada que la indicada por el óptimo, las
propiedades mecánicas disminuyen. Esta disminución se muestra de forma
diferente según la cantidad de azufre. Para las mezclas que contienen más
def 6% de azufre, las muestras llegan a ser frágiles y quebradizas. Para
cantidades más débiles hay una vuelta del fenómeno hacia atrás; la muestra,
una vez endurecida, se reblandece y llega a un estado más o menos
plástico: es el fenómeno de la "Reversión". Sin embargo, la naturaleza del
acelerante influye mucho sobre esta reversión. Garvey indicó, por ejemplo,
en 1938, que los diversos acelerantes comerciales podían ser separados en
dos clases: unos, como las guanidinas, que no protegen contra la reversión;
otros, tales como los tiuramos, con fos cuales el fenómeno no se produce o
queda muy amortiguado.
Estos últimos acelerantes producen lo que se llama "Efecto plato' (Figura 9);
la curva que representa la resistencia a la tracción en función de la duración
de vulcanización es muy aplanada; las propiedades mecánicas del caucho
se mantienen durante largo tiempo con un valor elevado, próximo al óptimo.
Antes de que se haya alcanzado el óptimo de vulcanización, la mezcla se
encuentra subvulcanizada. Por encima del óptimo, se dice que está
supervulcanizada. En los dos casos hay una disminución de las
propiedades mecánicas; además las mezclas sobrevulcanizadas tienen peor
-
38
envejecimiento. Por ello en la práctica se prefiere en general efectuar una
cocción "técnica" que corresponda a una ligera subvulcanización.
DURACION DE LA VULCANIZACION
Figura 9 Efecto de Plato
Fuente: LE BRAS, jean Fundamentos de ciencia y tecnología del caucho.3 ed Barcelona: Gustavo G¡l¡, igO0 154 p.
La utilización de acelerantes rápidos y sobre todo la de ultraacelerantes
pueden producir lo que se denomina el "Tostado o chamuscado".
Corrientemente se emplea la palabra tostado en el lenguaje técnico.; pero
también se utilizan los términos: prevulcanización, precocción, vulcanización
incipiente y vulcanización prematura. Durante las operaciones de malaxado
o de elaboración, tales como el calandrado o el budinado, la temperatura de
,/
I
/
I
-
39
la mezcla se eleva, pudiendo en esas condiciones actuar el acelerante y
producir una prevulcanización. La mezcla se presta mal en estas
condiciones a sufrir los tratamientos posteriores y el control de la
vulcanización llega a ser entonces imposible.
2.7.1 Aceleración retardada
Para remediar el tostado se ha precbnizado el empleo de sustancias que
retardan la acción del acelerante (retardadores ó retardantes). Estos
productos disminuyen la velocidad de vulcanización a las températuras a las
cuales son efectuadas las manipulaciones del modelado, pero sin influir de
manera apreciable en las temperaturas corrientes de vulcanización.
No obstante, podemos conseguir esto de otra manera, empleando
acelerantes que no presenten tendencia al "Tostado', poseyendo sin
embargo la rapidez deseada; estos acelerantes son los llamados de acción
retardada, o de acción diferida.
un trabajo de M. Jones aporta un ejemplo muy característico. Se someten
dos mezclas (ver figura 10), que no difieren en otra cosa que en la
naturaleza del acelerante a una vulcanización con tiempos de cocción
variables.
¡-:rr-r€dtUnlvcrsidad Autúnoma de Occtdmh
-
{0
El óptimo de vulcanización es alcanzado en cada una de las mezclas en un
tiempo sensiblemente igual: alrededor de 15 minutos. La que contiene
butiraldehidoanilina nos muestra al cabo de cuatro minutos que ha sufrido
una cocción apreciable, mientras que la que fue acelerada con Vulcafor Dau
no presenta en este tiempo,ningún signó de vulcanización. En la primera
mezcla, la acción del acelerante crece regularmente hasta el óptimo; en la
segunda, la vulcanización no se manifiesta hasta pasados T ú g minutos, y
entonces progresa rápidamente.
Esta acción diferida se obtiene principalmente por la mezcla de dos o varios
acelerantes, en particular por la combinación de tiazoles con guanidinas o
tiuramos. Por ejemplo, elvulcafor Dau se compone de dos partes de
disulfuro de dibenzotiazilo y de una parte de disulfuro de tetraetiltiuramo.
Por otra parte, los acelerantes pueden ser más o menos precoces; esta
precocidad se carac lerizapor la temperatu ra a lacual comie nzan a
reaccionar.
sin embargo, el problema técnico se comptica por el hecho de que las
diferentes propiedades físicas de un vulcanizado no alcanzan su valor
óptimo en el mismo tiempo de cocción. De tal manera, que los mejores
envejecimientos corresponden a una cocción un poco más corta que aquel
que da el valor máximo de resistencia a la tracción. Para fa resistencia a la
-
{l
abrasión se precisa, por el contrario, una cocción un poco más larga, y
todavía se debe prolongar más si pretendemos buscar un aumento de
dureza.
5t0t520TIEMPO DE VULCANIZADO EN MINUTOS
Figura l0 Acción aceleratriz retardada
Fuente: LE BRAS, jean Fundamentos de ciencia y tecnología del caucho.3 ed. Barcelona: Gustavo Gili, 1960 154 p.
La vulcanización llega a ser, pues, una cuestión extremadamente compleja,
y poner a punto una mezcla.exige frecuentemente continuas investigaciones.
,- t t
a
,/ \
/
/I
I
IIII
-
3. INTRODUCCION A LA HIDRAULICA
3.I GENERALIDADES
El estudio de la hidráulica concierne al empleo y características de los
líquidos. Desde tiempos primitivos el hombre ha usado fluidos para facilitar
sus tareas.
Los más antiguos vestigios históricos muestran que sistemas como las
bombas eran conocidos en las épocas más antiguas. Sin embargo, la rama
de la hidráulica que nos concierne solo empezó a usarse en el siglo XVlll
,basada en un principio descubierto por el científico francés Pascal, se
refiere al empleo de fluidos confinados para transmitir energía multiplicando
la fuerza y modificando el movimiento.
La misma sencillez de la ley de Pascal fue probablemente la causa de que,
dos siglos el hombre no se diera cuenta de sus enormes posibilidades. En
los primeros años de la revolución industrial, un mecánico británico llamado
-
Josep Bramah utilizó el descubrimiento de Pascal para desarrollar la primera
prensa hidráulica.
3.2 PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS Y DEFINICIONES.
Cuando se habla de fluidos de'calidad ligera o delgada, de un combustible
de calidad pesada ó gruesa; los términos delgada ó gruesa son términos
cualitativos, que indican mayor ó menor capacidad para moverse. Hay una
manera cuantitativa de especificar esta propiedad de fluidez y para poder
lograr especificar esta y otras propiedades de una manera cuantitativa y así
poderlas comparar, se requiere primero definirlas.
3.2.1 Fluido.
Se llaman fluidos aquellos cuerpos cuyas moléculas gozan de una gran
movilidad las unas con respecto a las otras, de tal manera que estos cuerpos
toman espontáneamente la forma de los recipientes que los contienen.
Los fluidos se dividen en dos categorías: Los gases y los líquidos. Los
primeros son compresibles; los segundos al contrario son poco compresibles
y para los cálculos prácticos se admiten incompresibles.
-
+{
Un fluido ideal es aquel cuyas moléculas se pueden desplazar las unas con
respecto a las otras sin fricción interior alguna y se considera incompresible.
En realidad la fricción interior existe en cada fluido y tas fuerzas de fricción
dan origen a una propiedad cai'acterística llamada viscosidad.
3.2.2. Densidad, volumen especifico, peso especifico
La densidad de un fluido se define como su masa por unidad de votumen.
6 = MASA =mVOI-tnrlen V
Las unidades de 6 son gr./cm3 (sistema cGS), Kg/m3 sistema métrico,
Lb/Ft3 ó Stug/Ft3 (Sistema ingtés)
1 Sfug = 32,17 Lbm y una densidad de 1 Slug/Ft3 = 92,1T Lbm/Ft3
volumen específico (v) es el volumen ocupado por una unidad de masa y es
el inverso de la densidad.
VolumenespecíficoV= 1 = 1Densidad 6
Peso específico es la fuerza de gravedad sobre la masa contenida en la
unidad de volumen, es decir el peso por unidad de volumen.
-
4-i
Peso específico W
3.2.3. Densidad.
= Peso = Densidad(8)"Gravedad(g)Volumen
La viscosidad es debida a las interacciones entre las partículas del fluido.
Dicha propiedad solo se manifiesta durante el movimiento del fluido, dando
origen a las fuerzas que se oponen al mismo. Cuanto mayor sea su
viscosidad más difícilmente circula por las tuberías.
Las dimensiones de la viscosidad se determinan por la Ley de Newton de la
viscosidad.
Si se consideran dos placas planas paralelas de grandes dimensiones (A) y
(B),(ver figura 11) separadas una pequeña distancia L y con espacio entre
ellas llenas de fluido, se supone que la placa superior se mueve a una
velocidad constante de V + ÁV . Al actuar 'sobre ella una fuerza F, tambiénconstante, el fluido en contacto con la placa B se adhiere a ella moviéndose
a la misma velocidad V + AV, mientras que el fluido en contacto con la ptaca
A se moverá a una velocidad v. Si F es la fuerza aplicada a la capa B y Aes el área de la placa, en este caso la tensión interior de frotamiento será:
J= Tensión interior = Fuerza (F)Area (A)
-
.t6
Según la Ley de Newton:
V+AV F
-+|
AL
Figura I I Gráfico de la ley de Newton de la viscosidad.
Fuente: BERNAL, Enrique, iomp. Introducción a la oleohidráulica. s.l. Sperryvickers, s.a. 5p
Donde p es la llamada Viscosidad Absoluta ó Dinámica
Las unidades de p son:
Dina-Seg/cmt 1En el sistema CGS) llamado POISE
Kg.Seg/m' (En el sistema MKS)
=pvL
Slg/ft.seg = Lb.Segf(
(En el sistema inglés)
-
{7
Viscosidad cinemática se llama al coeficiente de la viscosidad absoluta y la
densidad.
Viscosidad cinemática y = Viscosidad absoluta (u)Densidad (5 )
Las unidades de y son:
Cm2/seg (En el sistema C.G.S.) llamado Stoke
m'lseg (En el sistema M:K:S:)
ft2lseg (En el sistema inglés)
1 POISE = 100 centipoises' = 1 Dina.seg/cmz
I POISE = 0,00209 slug/ft.seg = 0,00209 Lb.seg/ft2 = 0,0673 Lb/ft.seg
lStoke = l00centistokes = lcmt/seg = 0,001076ft2/seg
3.2.4 Viscosidad convencional
La viscosidad convencional se mide con ayuda de viscosímetros por la
salida del liquido a través de un pequeño orificio catibrado.
-
{8
La viscosidad se mide en Europa en grado
Segundos Redwood, y en los Estados UnidosSaybolt (S.U.S.)
Engler, en Inglaterra en
en segundos universales
*
3.2.5 Indice de viscosidad
El índice de viscosidad de un fluido caracteriza el efecto de las variacionesde temperatura sobre el cambio de viscosidad. se dirá gue un fluido tieneun alto índice de viscosidad si esta varia un poco con ra temperatura.
3.3 ESTATICA DE LOS FLUIDOS
El caso especiar de fruidos que en su movimiento se comportan comosólidos, se incruye en ra estática por ra semejanza de fuerzas que imprica.Al no haber movimiento de una capa del fluido en relación con la adyacente,no habrá tensiones de cortadura. Por,eso la estática de los fluidos sobre uncuerpo ribre únicamente actúan fuerzas normares debido a fa presión.como la viscosidad solo se manifiesta cuando el fluido está en movimiento,por consiguiente, el liquido reai, en situación de reposo, se comporta comoun liquido ideal.
-
+9
3.3.1 Presión en un liquido en reposo
Si se considera un liquido ideal en un recipiente, este liquido no puede
ejercer sobre las paredes más que presiones normales ya que en caso
contrario se producirá movimiento de las partículas adyacentes a tasparedes, lo cual no tiene lugar.
En un punto de un liquido en reposo existe la misma presión en todas las
direcciones. Esto significa que gobre un elemento superficial de área que
gira alrededor de su centro sumergido totalmente en un fluido en reposo
actúa una fuerza de magnitud constante sobre cada una de las caras,
cualquiera que sea su orientación.
3.3.2. Ecuación fundamental de hidrostática, principio de pascal
Si se considera un cuerpo libre de un fluido (Ver figura 12 ) consistente en
un cilindro de área seccional reóta de A, con eje vertical de altura.
La presión exterior que actúa sobra la superficie libre del liquido es po. El
peso del cilindro es WAh . Como no existen tensiones de cortadura las tres
fuerzas deben estar en equilibrio, de tal manera que:
-
50
Pa-Wah - poA = u p =wh+po
Figura 12 Principio de Pascal
Fuente: BERNAL, Enrique, comp. Introducción a la oleohidráulica. s.l. Sperryvickers , s.a. 8p
Esta ecuación expresa la Ley fundamental de Hidrostática, que se enuncia
así:
La presión estática en el interior de un liquido, en un punto situado a la
profundidad "h' por debajo de la superficie libre, es igual a la presión exterior
mas el producto de la altura h por el peso específico delfluido.
-
5l
En base a la ley fundamental de la hidrostática, podemos enunciar bajo otra
forma, la ley fundamental del equilibrio de los líquidos.
La diferencia de presiones entre dos puntos dados en un liquido en reposo,
es igual al peso de la columna liquida que tenga por base la unidad de
superficie y por altura la diferencia de niveles entre estos dos puntos.
En lo que concierne a las aplicaciones de la oleo-hidráulica, la altura de las
columnas de aceite nunca sobrepasan los 600 cms lo que crea presiones
adicionales, debidas al peso de la columna de:
p = 0,ooog x 600 = 0,54 Kg/cm' 10.54 x l0-5 Kg/m2)
Donde 0,0009 = Peso específico del aceite en Kg/cm3p =0,54 Kg/cmz, es relativamente pequeño en comparación con las
presiones desarrolladas por las bombas (300 Kg/cmz ) por lo que se puede
despreciar en los cálculos prácticos de un sistema oleo-hidráulico.
Si aumentamos la presión po en X, la presión p aumentará en ese mismo
valor.
En efecto, p1 = po + Wh y p2 = (po + X) + Wh
-
52
De donde:
p2 = (po+Wh) +X = p1 + X
El aumento de presión exterior al actuar sobre la superficie libre del liquido,
provoca el mismo aumento de presión en el interior del liquido y como la
presión en cualquier punto del liquido es la misma en todas las direcciones,
podemos enunciar el principio de Pascal.
"Cuando un liquido está sometido a una presión exterior, que actúa en una
sola dirección, esta presión se transmite íntegramente a todas las partes del
liquido en todas las direcciones' (ver figura 13)
3.4 DINAMICA DE FLUIDOS
En la dinámica de los fluidos se estudia el movimiento de los fluidos. Elflujo
de los fluidos es complejo y no siempre puede ser estudiado en forma exacta
mediante el análisis matemático. Contrariamente a lo que sucede con los
sólidos, las partículas de un fluido en movimiento pueden tener diferentes
velocidades y estar sujetas a distintas aceleraciones.
Tres principios fundamentales que se aplican al flujo de fluidos son:
-
53
1. El principio de conservación
ecuación de continuidad.
de masa a partir del cual se establece la
2. Una fuerza de 1 Kg
apllcada a un tapón con
área de 1 cm2
3. Como resultado
1 Kg de fuerza por cada
cm2 (presión) de la
del recipiente
1. La botella se llena
con un líquido no
compresible
4. Si elfondo tiene
tenemos
un área de 10 cm2
elfondo recibe un
pared
empuje de 10 Kg
Figura 13 Transmisión de la presión de un liquido encerrado en unrecipiente
Fuente: BERNAL, Enrique, comp. lntroducción a la oleohidráulica. s.l. Sperryvickers, s.a. 9p
1. El principio de conseryación de energía a partir del cual se deducen
ciertas ecuaciones aplicables alflujo y a los sistemas oleo-hidráulicos.
-
5.t
2. El principio de cantidad de movimiento a partir del cual se deducen ciertas
ecuaciones para calcular las fuerzas dinámicas ejercidas por los fluidos
en movimiento.
3.4.1. Definiciones.
El flujo permanente tiene lugar cuando en un punto cualquiera la velocidad
de las sucesivas partículas que ocupan ese punto en los sucesivos instantes
es la misma, por lo tanto la velocidad es constante respecto del tiempo, pero
puede variar de un punto a otro.
El flujo uniforme tiene lugar . cuando el valor, dirección y sentido de la
velocidad no varían de un punto a otro del fluido. El flujo de líquidos bajo
presión a través de tubería S de diámetro constante y gran longitud es
uniforme tanto si es de régimen permanente como si no lo es.
Se llama velocidad media del liquido en una sección dada a la velocidad
cuyo producto por el área de la sección da el caudal del liquido Q = V x A.
Las líneas de corriente son curvas imaginarias dibujadas a través de un
fluido en movimiento y que indican la dirección de este en los diversos
-
))
puntos del flujo fluido. La tangente es un punto de la curva representa la
dirección instantánea de la velocidad de las partículas en dicho punto.
En el flujo laminar las partículas fluidas se mueven según trayectorias
paralelas, formando el conjunto de elias, capas o láminas. EI valor de la
velocidad adyacente no es el mismo.(ver figura 14)
Al pasar de cierta velocidad llamada "Velocidad crítica" las partículas se
mueven en forma desordenada en todas las direcciones; este es el flujo
turbulento. (ver figura 15)
Elflujo en los sistemas oleo-hidráulicos es generalmente laminar.
3.4.2. Ecuación de continuidad
Si se tiene un elemento de tubo de corriente en movimiento permanente (ver
figura 16) como el liquido es incompresible, el volumen de liquido que pasa
en fa unidad de tiempo por el área 1 debe ser igual al volumen que pasa en
la misma unidad de t tiempo por el área2. Por tanto:
= VA = CONSTANTE= V2MV1 A1
-
56
3.4.3. Teorema de Bernoulli
El fluido hidráulico en un sistema que trabaja, contiene energía bajo tres
formas: Energía cinética que depende de la velocidad y masa del fluido,
energía potencial que depende de su posición y energía de presión que
depende de su compresión.
Daniel Bernoulli, un científico suizo, demostró que en un sistema con caudal
constante, la energía se transforma de una forma u otra cada vez que se
modifica el área de la sección transversal de la tubería.
El principio de Bernoulli afirma que la suma de las energías cinética,
potencial y de presión, en distintos puntos del sistema debe ser constante.
Al variar el diámetro de la tubería la velocidad cambia. Así pues, la energía
cinética aumenta ó disminuye. Ahora bien, la energía no puede crearse ni
destruirse. Por lo tanto, la variación de energía cinética debe ser
compensada por un aumento o disminución de la energía de compresión, es
decir, de la presión.
Por lo tanto la variación de energía cinética debe ser compensada por un
aumento o disminución de la energía de compresión, es decir la presión.
-
57
Figura l4 Flujo laminar
Fuente: BERNAL, Enrique, comp. Introducción a la oleohidráulica. s.l. Sperryvickers, s.a. 11p
Figura l5 Flujo Turbulento
Fuente: BERNAL, Enrique, comp. Introducción a la oleohidráulica. s.l. Sperryvickers, s.a. 12p
-
58
Figura 16 Gráfica para teorema de Bernoulli.
Fuente: BERNAL, Enrique, comp. tntroducción a la ol"oftiOr¿rlica. s.l. Sperryvickers, s.a. 12p
-
4. FLUIDOS HIDRAULICOS
4.1 GENERALIDADES
El ffuido hidráulico es el medio utilizado para transmitir la fuerza desde la
bomba a los mecanismos que realizan. trabajo, tales como cilindros y
motores hidráulicos. El fluido tiene tanta importancia como pueda tener
cualquier otro elemento del sistema hidráulico; por eso sus propiedades
tienen un importante efecto en el Qesempeño y mantenimiento del equipo.
4.2 OBJETIVOS DEL FLUIDO
Elfluido hidráulico tiene cuatro (4) objetivos principales:
1. Transmitir potencia
2. Lubrificar piezas móviles
3. Minimizar las fugas
4. Enfriar o disipar el calor
-
()()
4.2. 1 Transmislón de potenc¡a
Como es natural, la primera función del liquido hidráulico es la de transmitir
la fuerza aplicada al mismo, debido a esto debe poder circular fácilmente por
las líneas y orificios de los elementos. Demasiada resistencia al flujo origina
perdidas considerables.
El fluido debe ser lo mas incompresible posible para que su acción sea
instantánea. Cuando se ponga en marcha una bomba ó cuando se actúe
una válvula.
4.2.2 Lubrificación
En la mayoría de los elementos hidráulicos, la Iubrificación interna la
proporciona el fluido. Los elementos de las bombas y otras piezas
desgastables se deslizan unos contra otros sobre una película de fluido.
Para que la duración de los componenteS sea larga, el aceite debe contener
los aditivos necesarios para asegurar búenas características antidesgaste.
Como consecuencia de altas presiones, alimentación insuficiente de aceite,
baia viscosidad y movimientos de deslizamiento lentos ó demasiado rápidos,
la película puede romperse.
-
(rl
.4.2.3 Estanqueidad
En muchos casos el fluido es el único cierre contra la presión dentro de un
componente hidráulico. El ajuste mecánico y la viscosidad del aceitedeterminan el porcentaje de fugas ya que aumenta la posibilidad de que se
produzcan pérdidas a través de juntas y retenes, esto es particularmente
cierto para sistemas hidráulicos modernos donde las válvulas, bombas y
motores se componen de piezas muy bien ajustadas para poder mantener la
presión del aceite dentro del sistema.
4.2.4. Enfriamiento
El calor que se produce en los diversos componentes del sistema hidráulico
(Bombas, válvulas, motores, tubería, etc) debe ser transportado por er fruido
hidráulico hacia ef tanque. En parte el tanque entrega el calor hacia afuera
a través de sus paredes. si las superficies de radiación no fueransuficientes deberán proyectarse intercambiadores suplementarios(Refrigeradores) para evitar un sobrecalentamiento de la instalación y delfluido hidráulico.
-
(t2
4.3 PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS HIDRAULICOS
Consideremos a cont¡nuación las propiedades de los fluidos hidráulicos que
fe perm¡ten reaLzar funciones fundamentales y cumpl¡r con sus
requerimientos de calidad:
4.3.1 Viscosidad.
Esta propiedad del liquido es de importancia capital para la adecuada
transmisión de fuerza. La viscosidad indica la resistencia del liquido a fluir.
Dicho de otra manera es la "Densidad" de un liquido a una temperatura
dada. Esta resistencia obedece a dos fenómenos:
1. Cohesión molecular
2. La Transferencia molecular de una capa a otra con lo cual se establece
una fuerza tangencial o esfuerzo cortante.
Si un fluido circula con facilid"o, ., viscosidad es baja. También se puededecir que el fluido es fino, o que tiene poca consistencia o poco cuerpo.
Un fluido que circula con dificultad tiene una viscosidad alta, es grueso o
tiene mucha consistencia.
-
Una viscosidad elevada es deseable para mantener la estanqueidad entre
superficies adyacentes. sin embargo, una viscosidad demasiado alta
aumenta la fricción, lo que da como resultado:
o Elevada resistencia alflujo
o Alto consumo de potencia debido a las pérdidas por rozamientoso Elevada temperatura causada por la friccióno Aumento a la caída de presión debido a la resistencia
o Posibilidad de que elfuncionamiento se haga más lentoo Dificultad en separar el aire del aceite en el depósito
En caso de que la viscosidad sea demasiado baja:
. Aumento de fugaso Excesivo desgaste
' Puede reducirse el rendimiento de la bomba haciendo que el actuadorfuncione mas despacio.
o Aumento de temperatura debido a fugas.
-
(r'l
4.3.1.1 Definición de viscosidad:
Algunos métodos para definir la viscosidad por orden decreciente de
precisión son: Viscosidad absoluta en Poise, Viscosidad cinemática en
Centistokes, Viscosidad relativa en segundos universales saybolt (SUS) y
números SAE.
4.3.1.1 1 Viscosidad dinámica:
Considerando la viscosidad como la resistencia que ofrece una capa de
fluido para deslizar sobre otra, es fácil medir en un laboratorio la viscosidad
dinámica. La viscosidad de un poise es, por definición, la viscosidad que
tiene un fluido cuando la fuerza necesaria para mover una superficie de
1cm2 sobre otra idéntica paralela (ver figura 17) situad a a 1 cm de distancia,
con una velocidad de 1 cm/seg. es 1 Dina.
Expresado de otra forma, la viscosidad dinámica es la relación del esfuerzo
de cizallado y la velocidad de cizallado de un fluido.
Viscosidad dinámica = Esfuerzo de cizalladoVelocidad de cizallado
Dina " sequndoCm2
I Poise =
-
(r5
La Unidad más pequeña de viscosidad dinámica es el Centipoise = 1 x 10-2
Poises
l. Si lesto stperficie móül tiene unooreo de lcm y se mue've o uno velocidodde un centimetro por segundo sobre ...
Aceite I cm
2. uno películo de fluido de un centlmetrode grueso...
J. y se requiere uno fuerzode uno dino poro mover losuperficie, lo üscosidod esiguol o un poise.
Figura 17 Viscosidad en Poises
Fuente: SPERRY RAND coRPoRATloN. Manuat de oleohidráulicaindustrial. Barcelona, 1 979.50p.
4.3.1 .1.2 viscosidad cinemática
Et concepto de viscosidad cinemática es una consecuencia de una columna
de liquido para produc¡r una c¡rculación del mismo a través de un tubo
cap¡lar.
-
El coeficiente de viscosidad es el resuttado de dividir el coeficiente de
viscosidad dinámica por la densidad del fluido. En el sistema C.G.S. la
unidad de viscosidad cinemática (Stokes) es el Cm3/Seg. El Centistokes es
la centésima parte del stoke.
La viscosidad dinámica y cinemática .están relacionadas de la siguiente
forma:
Centipoise = Centistokex Densidad.
4.3.1.1.3 Viscosidad relativa "SUS" (Segundos Universales Saybolt)
La viscosidad relativa se determina midiendo el tiempo que tarda una cierta
cantidad de liquido en fluir a través de un orificio normalizado a una
temperatura determinada. Hay varios sistemas de medida. El método más
utilizado es el viscosimetro Saybolt
El tiempo que transcurre para fluir una cantidad dada de liquido a través de
un orificio se mide con un reloj. La viscosidad SUS iguala al tiempo
transcurrido.