Bienvenidos alumnos al curso al curso de Oleohidraulica Industrial1.

Esperamos compartir con Uds temas basicos de gran interes en el desarrollo tecnologico de la oleohidraulica. Terminando estos temas con dedicacion de parte de todos, estaremos listos para entender los simbolos basicos que rigen los sistemas oleohidraulicos y asi poder interpretar facilmante un plano.

Animo para todos, espero disfruten y participen al maximo.

Profesor. Salomon Santana Bayona

Oleohidráulica Industrial

Esta primera parte tiene por objeto conocer un poco de historia sobre la hidráulica en general así como los conceptos fundamentales de esta área. Veremos los principios básicos de las palancas, tanto mecánicas como hidráulicas, conservación de la energía, etc.

Principios básicos de la Oleohidráulica, pérdida de carga, comportamiento del fluido ante las resistencias en serie y paralelo. etc.etc

En este capitulo veremos un poco de historia y los conceptos básicos

I.INTRODUCCIÓN 1.Historia Conocemos solamente 3 (tres) métodospara la transmisión de potencia en el ámbito comercial: la mecánica, la eléctrica y la fluida. En la mecánica que es la más antigua encontramos elementos de diferentes formas y tamaños para la transmisión de la potencia, entre ellos podemos enumerar: engranajes, levas, poleas y resortes entre otros. En la eléctrica que entre otras cosas es la que puede transmitir potencia a grandes distancias encontramos una grande variedad de elementos tales como: los generadores, conductores, motores eléctricos, transformadores, etc. En la hidráulica que es la más reciente de todas en cuanto a su aplicación industrial pues realmente es tan ó más antigua que la mecánica, cuando era utilizada la energía potencial del agua a una cierta altura para generación de energía mecánica. Más tarde tuvo una aplicación más específica en una prensa hidráulica que utiliza agua como medio transmisor fabricada en 1795 por un mecánico inglés llamado Joseph Bramah.

Hacia comienzos de siglo se empieza a sustituir el agua como medio transmisor por el aceite con grandes ventajas. 2. Conceptos Sistema Óleo hidráulico: Un sistema que utiliza aceite para la transmisión de movimiento ó potencia se denomina sistema óleo hidráulico. Los sistemas óleo hidráulicos se clasifican en cinéticos y estáticos. Sistemas oleo hidráulicos cinéticos Son sistemas en donde la energía utilizada es la cinética para la transmisión de potencia, es decir, es utilizado el aceite a altas velocidades, al rededor de 50 (cincuenta) metros por segundo, (180 Kms / hora). Sistemas óleo hidráulicos estáticos Son sistemas en donde la energía utilizada es la potencial, es decir, fluido a alta presión y baja velocidad. Actualmente se pueden conseguir presiones hasta de 1.000 atm. En este libro trataremos solamente los sistemas óleohidráulicos estáticos ó simplemente sistemas óleohidráulicos.

Parte Básica: Energía, Fuerza, Presión, Area, Resistencias, Presíon hidrostática, Potencia, Resistencias, y algunos cálculos básicos de perdida de carga, etc.

II. CONCEPTOS FUNDAMENTALES 1 . Conceptos Fundamentales1

Ley de Pascal:

Blass Pascal matemático y científico francés nacido en 1623 y fallecido en 1662 enunció el principio fundamental de la hidráulica que dice: Toda fuerza aplicada sobre un fluido confinado en un recipiente cerrado, es igual en todas las direcciones y se transmite a través de la masa fluida siempre perpendicular a las paredes del recipiente que lo contiene.

Ley

FIG. II.1 LEY DE PASCAL

2. Energía “E”

Energía es definida como el producto de la fuerza por la distancia recorrida.

3. Principio de conservación de la energía

La energía como sabemos no se puede crear ni destruir.

Por ejemplo aprovechamos la energía potencial del agua almacenada para convertirla en energía eléctrica.

El principio de Lavoisier dice: En la naturaleza nada se crea, nada se destruye, todo se transforma; así en los sistemas óleo hidráulicos la energía eléctrica es transformada en energía mecánica por un motor eléctrico, la energía mecánica es transformada en energía óleo hidráulica por una bomba oleohidráulica, la energía óleo hidráulica es transformada en energía mecánica por un cilindro hidráulico ó por un motor hidraulico.

Fig2.2

II.2 Principio de conservación de la energia

En la fig. II. 2 vemos la energía mecánica transformada en hidráulica y la hidráulica transformada nuevamente en mecánica.

Podemos ver que un peso de 2.000 Lbs está siendo desplazado 1 pl. por otro peso de 1.000 Lbs que se desplaza 2 pl. solamente en virtud de que el área del pistón A es 2 (dos) veces menor que el área del pistón B.

Vemos que con un pequeño esfuerzo y grande desplazamiento conseguimos un grande esfuerzo y un pequeño desplazamiento.

También podemos notar que la energía transferida es igual.

E en A = 1.000 Lbs x 2 pl. = 2.000 Lbs pl.

E en B = 2.000 Lbs x 1 pl. = 2.000 Lbs pl.

Podemos notar que el principio de ésta palanca hidráulica es el mismo principio de la palanca mecánica.

                                            Fig2.3

  

FIG II.3 Principio de la palanca mecánica

Podemos balancear 2.000 Lbs con 1.000 Lbs siempre y cuando la distancia al punto de apoyo de la carga de 1.000 Lbs sea el doble comparativamente con la distancia al punto de apoyo de la carga de 2000 Lbs. También en este caso la energía transferida es igual; veamos :

E en A = 1.000 Lbs x 8 pl. = 8.000 Lbs pl.

E en B = 2.000 Lbs x 4 pl. = 8.000 Lbs pl.

4. Presión y fuerza

Podemos definir fuerza como cualquier causa capaz de producir un trabajo; por ejemplo si queremos mover un cuerpo cualquiera debemos aplicar una fuerza sobre él, lo mismo si queremos detenerlo.

Si aplicamos una fuerza “F” sobre una superficie “A” entonces definimos como presión “P” al cociente entre la fuerza “F” y la superficie “A” de modo que podemos conocer la fuerza aplicada a la unidad de superficie ó área.

Por ejemplo si tenemos una presión de 40 Psi distribuida en una superficie de 30 pl 2 decimos que cada pl2 ésta siendo sometida a una fuerza de 40 Lbs. Entonces el cuerpo estará sometido a una fuerza total de 30 pl2 x 40 Psi = 1200 Lbs. fuerza, por tanto:

P = F/A ó F = P . A ó A= F/P

P= Presión

A = Área

F= Fuerza

Conceptos Fundamentales2

5. Presión hidrostática

La tierra se encuentra envuelta por una capa de aire que está compuesta de oxigeno, nitrógeno y gases raros, a esta le damos el nombre de atmósfera.

Esta capa de aire tiene un peso determinado a partir de éste peso se le llamó una atmósfera al peso ejercido por la columna de aire y medido al nivel del mar ó nivel cero.

Ahora supongamos un recipiente con líquido como en la figura II 4 al nivel del mar.

La presión atmosférica es aplicada al fluido que como vimos en la ley de Pascal se distribuye igualmente en todas las direcciones de la pared del tanque y es igual a una atmósfera.

Si la columna de aire pesa, la columna de líquido también pesa por lo tanto la presión existente en cualquier parte del fluido será igual a la suma de la presión atmosférica más la presión ejercida por la columna de líquido en el punto medido, a ésta presión se le llama presión hidrostática.

Experiencia del Manómetro

Vamos a suponer dos recipientes, el uno de 24 pl. de diámetro y el otro de 2 pl. de diámetro, en ambos colocamos aceite y a una altura de 25 pies colocamos los manómetros. La presión marcada será de 10 PSI ( Pounds per Square Inch ) pues al manómetro no le interesa los diámetros del recipiente sino la altura de la columna ya que vienen calibrados para leer la fuerza por unidad de área libre del líquido.6. Principio de BernoulliLa suma de la presión y la energía cinética en varios puntos de un sistema es constante para un caudal constante; de aquí deducimos que en un sistema óleo hidráulico cuando hay aumento de velocidad hay una disminución de la presión, es decir, que la presión estática de un líquido en movimiento varía en relación inversa con la velocidad.

Conceptos Fundamentales3

7. Potencia hidráulica

Vimos en la figura II 2 que 2.000 Lbs fueron desplazadas 1 Pl. a una presión de 40 PSI

E= 2.000 Lbs x 1 pl. = 2.000 Lbs pl.

F= P. A

Primero: E = P . A x d en donde: P = unidad de Presión

A = Área

d = distancia

F = Fuerza

E = Energía

Pero A x d es igual a volumen entonces:

E = P . V

Potencia es la cantidad de energía transferida en la unidad de tiempo por lo que en un sistema óleo hidráulico, potencia es el producto de la presión y el volumen pasando en la unidad de tiempo. La potencia entonces es medida en términos de presión ( Lbs /pl 2 ), y la cantidad de fluido pasando ( pl 3 por minuto ). El producto será:

Lb/pl. 2 x pl. 3 / minuto = Lb pl. / minuto

Segundo: E = P .V Siendo que E/t = potencia, entonces:

P .V/t = Potencia, pero:

V/t = Q Caudal, entonces:

P. Q = Potencia en donde:

Q =Cantidad de flujo por unidad de tiempo, pl3 / minuto

P =Presión Lb / pl. 2

Siendo que un caballo de potencia es: 396.000 Lb pl. / minuto, tenemos:

Tercero: P. Q / 396.000 = caballos de potencia. Si tenemos el caudal en galones por minuto entonces:

1 G. P. M. = 231 pl3 / minuto

P. Q / 231 /396.000 / 231 Igual a P. Q / 1.714

en donde: Q = G. M. P. galones por minuto.

8. Efecto de las resistencias

Si en un sistema eléctrico se introduce una resistencia en la línea, hay una caída de voltaje. La resistencia reduce el flujo de corriente.

Simultáneamente en un sistema hidráulico si se introduce una resistencia y se colocan 2 (dos) manómetros como en la figura II 6 uno a cada lado de la resistencia, habrá una caída de presión cuando el flujo empiece a pasar a través del circuito.

En la figura II 6 el manómetro A leerá la presión P1 que será mayor que la presión P2 leída con el manómetro B.

Esta caída de presión es causada por la fricción de las partículas de fluido al tratar de pasar por la resistencia.

9. Caída de presión a través de un orificio

En las figuras siguientes vemos la presión con el fluido estático y en movimiento.

Anim2.7

II.7 Caida de presión através de un orificio

10. Flujo en serie y en paralelo

El fluido siempre tiende a seguir el camino más fácil.

Anim2.8

II.8 Resistencias en paralelo

En ésta figura II 8 tenemos un flujo en paralelo, vemos que el fluido recorre el camino de menor resistencia, en el primer caso R1, y en el segundo caso al cerrar la válvula V1 se ve obligado a seguir el camino de la resistencia R2 que es la menor respectivamente.

Anim2.9

II.9 Resistencias en serie

En ésta figura el flujo es en serie, como el camino es uno solo, tenemos como presión la suma de todas las resistencias del circuito.

Conceptos Fundamentales4

11. Desplazamiento en las tuberías Existen 2 (dos) tipos de desplazamiento del fluido que serán estudiados, estos son: El turbulento y el laminar. Para que ocurra uno u otro intervienen factores tales como: la viscosidad del fluido, la rugosidad interna de la tubería, el diámetro del ducto por donde se desplazan las moléculas del fluido a una determinada velocidad, etc. Para saber cuando el régimen de desplazamiento es laminar ó turbulento debemos definir el número de Reynolds “R”. Este valor es dado por la razón del producto de la velocidad del fluido con el diámetro del tubo por la viscosidad cinemática.

R = (v . D)/ μ (μ = para aceite a 220 S.S.U. y 38 ° C = 47,5 centistokes) Si el número de Reynolds está entre 0 y 2.000 se dice que el flujo es laminar, si el número de Reynolds está entre 2.000 y 3.000 se dice que el flujo es indeterminado, no podemos afirmar

si es turbulento ó laminar, si el número de Reynolds es mayor que 3.000 se dice que el flujo es turbulento. Debemos aclarar que si en el cálculo introducimos D en cms, v en cms /seg. y μ en stoks “R”, resultará un número puro

En el desplazamiento turbulento hay mayor perdida de carga que en un desplazamiento laminar, de ahí que en todo diseño óleo hidráulico se deba buscar un

desplazamiento laminar para evitar recalentamientos por pérdida de carga.

Así también debemos tratar de utilizar curvas suaves ya que la utilización de curvas muy fuertes nos hacen cambiar el régimen de desplazamiento. 12. Caudal en las tuberías

El caudal de un fluido podemos hallarlo por el volumen desplazado por unidad de tiempo ó por el producto de la velocidad del fluido por el área en la cual se está desplazando. 1. Q = V / t 2.Q = v . A De 2 da que Q = s . A pues v = s/ t t Por lo cual: s. A = V \ Q = V / t 1 = 2Q = Caudal A = área v = velocidad V = volumen t = tiempo s = espacio En términos generales tenemos que las velocidades recomendadas para que ocurra un desplazamiento laminar son: Para la línea de succión: 4 pies / seg. ó 2.880 pl. / minuto Para la línea de presión: 15 pies / seg. ó 10.800 pl. / minuto Para la línea de retorno: 10 pies / seg. ó 7.200 pl. / minuto