Fundamentos Fundamentos básicos y las bases físicas de la hidráulica. hidráulica.
INDICE Introducción........................... Introducción............................................... ........................................ ......................................................... ..................................... 2 Introducción a los sistemas hidráulicos............................................... hidráulicos............................................................... ................ 3 Hidráulica estacionaria................................ estacionaria.................................................... ........................................ ....................................7 ................7 Hidraulica movil............................................ movil............................................................... ................................................ ............................. ...... 8 1.. !enta"as !enta"as y desventa"as............................................ desventa"as............................................................ .............................. .................. .... 1# 1.$. %imbolo&ía y unidades a'licables en el estudio del &rado de (ltración.....11 1.). *resión......................................................................................................12 Presión Presión absoluta absoluta y relativa.: En determinadas aplicaciones la presión se mide no como la presión absolu absoluta ta sino sino como como la presió presiónn por encima encima de la presió presiónn atmosf atmosféri érica, ca, denomin denominándo ándose se presió presiónn relativa, presión normal, presión de gauge o presión manométrica.........................................12
...................................... ......................................................... ....................................... .............................................. .......................... ............ 12 Presión hidrostática e hidrodinámica : hidrodinámica : En un fluido en movimiento la presión hidrostática puede diferir de la llamada presión hidrodinámica por lo que debe especificarse a cual de las dos se está refiriendo una cierta medida de presión..................................................................................13
1.7. +ulti'licación +ulti'licación de fuer,as................. fuer ,as..................................... ........................................ .......................................1$ ...................1$ 1.8. +ulti'licación de distancias.......................................................................1) 1.-. +ulti'licación de 'resiones................................................. 'resiones........................................................................ ....................... 17 1.1#. es&astes 'or abrasión...........................................................................18
Fundamentos básicos y las bases físicas de la hidráulica.
Introducción Los principios básicos de los fluidos nos remonta a la investigación de pascal y la invención del pistón, pero recientemente la fluidica se ha convertido en una industria a gran escala. El creciente uso de la hidráulica en la industria se creó por la necesidad de rápidos, bajos costos en los medios de producción, de una mejor calidad, menos perdida y más potencia. La hidráulica significa la creación de fueras y movimientos, mediante fluidos sometidos a presión, los cuales son el medio para la transmisión de energ!a. En las técnicas actuales de automatiación se ve la importancia que asume la hidráulica en la gran cantidad de campos de aplicación, los cuales se clasifican básicamente en aplicaciones móviles y estacionaras, las cuales veremos al detalle más adelante. Los sistemas hidráulicos proporcionan muchas otras ventajas. "nas cuantas de estas son chispaos y resistencias a quemadas, un control e#celente y tama$o compacto. Esto significa que todos los productos manufacturados en alguna ocasión han sido formados, tratados o manejados por medio de la potencia hidráulica. %urante esta unidad se comprenderán los principios básicos de la hidráulica, este manual se dividirá en &' temas los cuales son muy importantes para comprender los fundamentos básicos y las bases f!sicas de la hidráulica.
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Introducción a los sistemas hidráulicos El intenso uso de la la hidráulica actual se genera de las muchas ventajas generadas por los sistemas hidráulicos, con la potencia hidráulica muy poca energ!a es requerida, para controlar y transmitir grandes cantidades de energ!a. "n sistema: es un objeto complejo cuyos componentes se relacionan con al menos alg(n otro componente) puede ser material o conceptual. *odos los sistemas tienen composición, estructura y entorno, pero sólo los sistemas materiales tienen mecanismo. *odos los objetos son sistemas o componentes de otro sistema. +idráulica: es la tecnolog!a o estudio de presión y flujo de un l!quido. Los l!quidos son materiales que se vierten y toman la forma de contenedores. Ejemplos de l!quidos son el aceite y agua. %ebido a que los l!quidos no son muy compresibles, nos permiten transferir energ!a y multiplicar fueras. La figura & ilustra las propiedades básicas de los l!quidos. El l!quido luego aplica la misma cantidad de presión aplicada al pistón de entrada se transfiere al pistón de salida iston: Es uno de los elementos básicos del -otor de ombustión /nterna, es un cilindro abierto por su base inferior, cerrado en la superior y sujeto a la biela en su parte intermedia. El movimiento del pistón es hacia arriba y abajo en el interior del cilindro, comprime la mecla, transmite la presión de combustión al cig0e$al a través de la biela, fuera la salida de los gases resultantes de la combustión en la carrera de escape y produce un vac!o en el cilindro que 1aspira2 la mecla en la carrera de aspiración.
Figura 1. Transferencia directa de fuerzas
34ué pasa si hay una diferencia en el tama$o de los pistones5 omo la presión que se ejerce es igual en todas las direcciones la fuera aumenta, dependiendo del tama$o del pistón de entrada y el de salida, como se muestra en la siguiente figura.
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Figura 1.2 multiplicación de fuerzas.
6peración de un circuito hidráulico básico Es una l!nea para que el aceite fluya en mangueras y componentes, se muestra en la figura
Figura 1.3 sistema hidráulico ásico
El depósito: contiene el aceite a bomba : impulsa el aceite intentado hacer la fluir a través del circuito a válvula direccional accionada por palanca : permite al operador controlar manual mente el paso de aceite hacia el cilindro. El cilindrio: convierte la energ!a del fluido en potencia mecánica lineal a válvula de alivio: limita la presión a un nivel seguro, permitiendo al aceite fluir directamente desde la bomba hacia el deposito cuando la presión en la salida de la bomba alcana cierto nivel.
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!onceptos básicos de hidráulica 1."a fuerza: tiene como unidad de medida el 7e8ton 97 y se define como la influencia de producir alteración de movimiento en un cuerpo. #."Energ$a: es una fuera que puede causar el movimiento de un cuerpo. %".&esistencia: es la fuera que puede parar o retardar el movimiento de un cuerpo. '."Traba(o: es el movimiento de un objeto en una determinada distancia siendo la unidad 7e8ton -etro 97m y la fórmula para calcularlo: *rabajo 97m; '."Potencia: es el trabajo realiado por unidad de tiempo teniendo la unidad en 7m?s, aunque se utilia mucha la equivalencia de potencia con la unidad de caballos de @apor o caballos de potencia cuya formula es la siguiente: +; ABC =
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/."a presión absoluta : es la presión que ejerce el aire atmosférico que es igual a &,'FF Gp ?cmH ; & atmósfera 10."!ompresibilidad de los fluidos. *odos los materiales en estado gaseoso, l!quido o sólido son compresibles en mayor o menor grado. ara las aplicaciones hidráulicas usuales el aceite hidráulico es considerado incompresible, si bien cuando una fuera es aplicada la reducción de volumen será de &?I J por cada A' Gg?cmH de presión interna en el seno del fluido.
11."Transmisión de potencia . En la figura siguiente se muestra el principio en el que está basada la transmisión de potencia en los sistemas neumáticos e hidráulicos. "na fuera mecánica, trabajo o potencia se aplica en el pistón D, la presión interna desarrollada en el fluido ejerce una fuera de empuje en el pistón K.
1#."Presión hidráulica . La presión hidráulica es la presión ejercida por un fluido, se mide en unidades de presión, generalmente se usan las siguientes unidades.
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!idráulica estacionaria
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!idráulica mó"il.
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1.#. $enta%as & des"enta%as Hidráulica Móvil Ventajas 1.-Maquinarias Pesadas
Desventajas 1.-3o a) en e+istencia ara
Hidráulica Estacionaria Ventajas Desventajas 1.Maquinaria 1.-3o a)
Partes Móviles
!aquinaria auto!ati4ado
(uto!ati4ada /us
2.-Usa
tanto
co!"ustión#
energía
or
el$ctrica
o
e+istencia
válvulas
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accionadas general!ente
Partes
desgaste es !a)or
en
in!óviles
cin$tica.
de
Estáticas
electroválvulas. %.-*as válvulas accionadas de
%.-Válvulas
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!aquinarias esada
2.-Por ser artes !óviles su
&or!a
e
2.-/u rincial &uent
accionadas
&or!a !anual contienen un
2.-6educe el n,!ero de
de energía son las n
general!ente de &or!a !anual
desgaste# ) su cierre o aertura
incidentes
renova"les.
uede tarde ) asta se uede
rovocados or válvulas.
Vida ,til reducida
'.-Uso en la ra!a de la
ser necesario usar !aquinaria
/u ca!o de alicación
el desgaste.
(gricultura ) construcción.
estacionaria.
es !ultivaria"le
o
errores
*os siste!as de estanquidad )
%.-(lto costo
guiado se les e+igen una
'.-3o tiene !uco ca!o de
%.-7cua soluciones de
El &luido o aceite e
a!lia ga!a de alicaciones )
alicación.
estanquidad
la
!ás caro
vida ,til.
(licación de !anteni!iento )
discilina de la ingeniería
6equiere
li!ie4a constante.
!ecánica clásica
eseciali4ado ara l
ara
.-Energía roorcionada or el aire ) el aceite a resión.
.-/us siste!as se u"ican en
!anutención .-/i no se contiene un aceite la
'.-/us siste!as se u"ican
&ricción no dará e!uje a una
en un lugar deter!inado
'.-9luido
resión.
/u
sensi"le
di&erentes lugares deter!inado
0.-(lta!ente on&ia"le on resecto a la !aniulación de !ateriales ) ara citar unos eje!los# los siste!as oleo idráulicos er!iten que una sola ersona ueda trasladar# &ácil ) ráida!ente# grandes cantidades !aterial.
Person
e&iciencia
con
resecto al !óvil es del 0.-(lto costo
'5 al 085
/u e&iciencia es de 1 al '5.
(lta!ente Per!ite
con&ia"le
!u a
conta!inación.
l
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1.'. (imolog)a & unidades aplicales en el estudio del grado de *ltración
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1.+. ,resión La presión es una magnitud f!sica que mide la proyección de la fuera en dirección perpendicular por unidad de superficie, y sirve para caracteriar cómo se aplica una determinada fuera resultante sobre una l!nea. En el istema /nternacional de "nidades la presión se mide en una unidad derivada que se denomina pascal 9a que es equivalente a una fuera total de un ne8ton 97 actuando uniformemente en un metro cuadrado 9mH. La presión es la magnitud escalar que relaciona la fuera con la superficie sobre la cual act(a, es decir, equivale a la fuera que act(a sobre la superficie. uando sobre una superficie plana de área D se aplica una fuera normal < de manera uniforme, la presión viene dada de la siguiente forma:
En un caso general donde la fuera puede tener cualquier dirección y no estar distribuida uniformemente en cada punto la presión se define como:
%onde es un vector unitario y normal a la superficie en el punto donde se pretende medir la presión. La definición anterior puede escribirse también como:
Donde:
: es la fuerza por unidad de superficie. : es el vector normal a la superficie. : es el área total de la superficie S .
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Presión absoluta y relativa .: En determinadas aplicaciones la presión se mide no como la presión absoluta sino como la presión por encima de la presión atmosférica, denominándose presión relativa, presión normal, presión de gauge o presión manométrica. onsecuentemente, la presión absoluta es la presión atmosférica 9 Pa más la presión manométrica 9Pm 9presión que se mide con el manómetro.
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Presión hidrostática e hidrodinámica : En un fluido en movimiento la presión hidrostática puede diferir de la llamada presión hidrodinámica por lo que debe especificarse a cual de las dos se está refiriendo una cierta medida de presión.
Presión de un gas: En el marco de la teor!a cinética la presión de un gas es e#plicada como el resultado macroscópico de las fueras implicadas por las colisiones de las moléculas del gas con las paredes del contenedor. La presión puede definirse por lo tanto haciendo referencia a las propiedades microscópicas del gas: ara un gas ideal con 7 moléculas, cada una de masa m y moviéndose con una velocidad aleatoria promedio veremos contenido en un volumen c(bico @ las part!culas del gas impactan con las paredes del recipiente de una manera que puede calcularse de manera estad!stica intercambiando momento lineal con las paredes en cada choque y efectuando una fuera neta por unidad de área que es la presión ejercida por el gas sobre la superficie sólida. La presión puede calcularse entonces como
Este resultado es interesante y significativo no solo por ofrecer una forma de calcular la presión de un gas sino porque relaciona una variable macroscópica observable, la presión, con la energ!a cinética promedio por molécula, 1/2 mv rms² , que es una magnitud microscópica no observable directamente. 7ótese que el producto de la presión por el volumen del recipiente es dos tercios de la energ!a cinética total de las moléculas de gas contenidas. La fuera asociada a la presión en un fluido ordinario en reposo se dirige siempre hacia el e#terior del fluido, por lo que debido al principio de acción y reacción, resulta en una compresión para el fluido, jamás una tracción. La superficie libre de un l!quido en reposo 9y situado en un campo gravitatorio constante es siempre horiontal. Eso es cierto solo en la superficie de la *ierra y a simple vista, debido a la acción de la gravedad constante. i no hay acciones gravitatorias, la superficie de un fluido es esférica y, por tanto, no horiontal.
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a presión en un fluido: es la presión termodinámica que interviene en la ecuación constitutiva y en la ecuación de movimiento del fluido, en algunos casos especiales esta presión coincide con la presión media o incluso con la presión hidrostática. *odas las presiones representan una medida de la energ!a potencial por unidad de volumen en un fluido. ara definir con mayor propiedad el concepto de presión en un fluido se distinguen habitualmente varias formas de medir la presión. a presión media : o promedio de las presiones seg(n diferentes direcciones en un fluido, cuando el fluido está en reposo esta presión media coincide con la presión hidrostática a presión hidrostática: es la parte de la presión debida al peso de un fluido en reposo. En un fluido en reposo la (nica presión e#istente es la presión hidrostática, en un fluido en movimiento además puede aparecer una presión hidrodinámica adicional relacionada con la velocidad del fluido. Es la presión que sufren los cuerpos sumergidos en un l!quido o fluido por el simple y sencillo hecho de sumergirse dentro de este. e define por la formula donde es la presión hidrostática, es el pero especifico y profundidad bajo la superficie del fluido. a presión hidrodinámica: es la presión termodinámica dependiente de la dirección considerada alrededor de un punto que dependerá además del peso del fluido, el estado de movimiento del mismo.
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1.-. ultiplicación de fuerzas La presión es la misma en cualquier punto de un sistema cerrado cuando, independientemente de la forma del recipiente.
i el sistema cerrado tiene la configuración que se muestra en la figura anterior, es factible multiplicar fueras. ara calcular la presión, se recurre a las siguientes ecuaciones:
El sistema se encuentra en equilibrio siendo válida la siguiente ecuación: & ; I
Dplicando las dos ecuaciones, se obtiene lo siguiente:
Esta ecuación permite calcular las magnitudes de <& y
La fuera más peque$as del émbolo de presión puede ser transformada en una fuera mayor ampliando la superficie del émbolo de trabajo. Este es un principio fundamental que se aplica en cualquier sistema hidráulico, ya sea un gato hidráulico o una plataforma elevadora. La fuera <& tiene que ser lo suficientemente grande para que la presión del fluido supere la resistencia que ofrece la carga.
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1./. ultiplicación de distancias i recurriendo al principio descrito en párrafos anteriores se desea elevar una carga
El volumen desplaado necesario en este caso se calcula de la siguiente manera: & ; & &
y
I ; I I
*ratándose del mismo volumen desplaado 9@& ; @I, se obtiene la siguiente fórmula: & & ; I I
En conclusión observamos que el recorrido s& tiene que ser mayor que el recorrido sI puesto que la superficie D& es menor que la superficie DI. La carrera del émbolo es inversamente proporcional a su superficie. Dplicando esta ley f!sica pueden calcularse las magnitudes s& y sI, as! como D& y DI. ara sI y D&, por ejemplo, son válidas las siguientes ecuaciones:
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1.0. ultiplicación de presiones
La presión hidráulica p& del fluido ejerce una fuera <& en la superficie D&, dicha fuera es transmitida mediante el vástago al émbolo peque$o. En consecuencia, la fuera <& act(a sobre la superficie DI y genera la presión pI en el fluido. %ado que la superficie del émbolo DI es menor que la superficie del émbolo D&, la presión pI tendrá que ser superior a la presión p&. *ambién en este caso se aplica la siguiente ecuación:
%e ello se deducen las siguientes ecuaciones para las fueras <& y
En base a esta fórmula pueden calcularse las magnitudes de p& y pI y de D& y DI. Las ecuaciones respectivas para pI y DI ser!an por ejemplo, las siguientes 0
En el caso de un cilindro de doble efecto es posible que surjan presiones demasiado elevadas por efecto de la multiplicación, si está bloqueada la salida en la cámara del lado del vástago:
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1.1. Desgastes por arasión El desgaste puede ser definido como el proceso mediante por el cual material es desprendido de una o ambas de una o ambas superficies que se encuentran en contacto, ocurriendo de una o de ambas superficies en contacto, ocurriendo cuando estas se encuentran en movimiento relativo una de la otra. En el desgaste abrasivo el material es removido o desplaado de una superficie por part!culas duras, de una superficie que es desliada contra otra. E#isten dos tipos dos formas básicas de abrasión. Dbrasión por desgaste de dos cuerpos y abrasión por desgaste de tres cuerpos. El desgaste por abrasión de dos cuerpos ocurre cuando las protuberancias duras de una superficie son desliadas contra otra. "n ejemplo de esto es el pulido de una muestra mediante el uso de lijas. or otra parte el desgaste por abrasión de tres cuerpos se presentan en sistemas donde part!culas tienen la libertad de desliarse o girar entre dos superficies en contacto, el caso de aceites lubricantes contaminados en un sistema de desliamiento puede ser claro ejemplo de este tipo de abrasión, los rangos de desgaste en abrasión de tres cuerpos son generalmente más bajos, que en el sistema de abrasión de dos cuerpos.