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Transcript
MODULO
AUTOMATIZACION
PROFESORES
Carlos Villalobos M
Sergio Salas S
Flavio Alcayaga V
Marcos Tobar Q
CAPÍTULO 1
GENERALIDADES DE LA OLEOHIDRÁULICA
1.1 INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS OLEOHIDRÁULICOS
La fuerza para levantar... para empujar. La fuerza
para mover montañas, o construirlas. En el mundo
del equipo de construcción y de manejo de materiales,
la potencia que hace el trabajo es la oleohidráulica.
No fue hasta la década del cincuenta que se empezó
a usar la oleohidráulica, en forma generalizada en
equipos pesados.
El gran desarrollo experimentado por la oleohidráulica
en la industria moderna se debe, sin duda alguna, a
las características que posee este medio de
transmisión energética, ya que los sistemas
manipulados por este medio son versátiles, de
implantación simple, silenciosos y de control sencillo
tanto de la fuerza, como de los torques de giro y de la
velocidad de los mecanismos que componen las
máquinas.
Las elevadas presiones de trabajo que se consiguen
permiten transmitir grandes esfuerzos o torques de
rotación a través de actuadores lineales concebidos
para este fin, como los cilindros o motores
oleohidráulicos. Todo ello con el empleo de
distribuidores o electroválvulas accionadas por
pequeños esfuerzos cuando el manejo es manual, o
mediante el accionamiento electromagnético cuando
se trata sistemas que poseen ya un cierto grado de
automatización.
Esta clase de fuerza se ha vuelto esencial para la
operación de virtualmente cada máquina pesada.
Cilindros de todo tipo y tamaño dan vida a los
cucharones, hojas, retroexcavadoras y plataformas de
camión. Los motores hidráulicos impulsan cadenas,
ruedas, carrocerías y transportadores. Los sistemas
de frenos, de dirección, las transmisiones, las
suspensiones y una cantidad de otros sistemas
vehiculares se valen de la hidráulica para obtener
fuerza y control.
1.2 CARACTERÍSTICAS DE LOS SISTEMAS OLEOHIDRÁULICOS
La oleohidráulica constituye hoy en día el
complemento ideal de la mecánica habitual en
numerosos procesos industriales modernos. Durante
años dichos procesos han sido resueltos mediante el
empleo de la mecánica tradicional donde, con frecuencia, y de forma muy ingeniosa a veces, el
movimiento rotatorio de un motor eléctrico convencional se ha transformado en otro movimiento
rotatorio más lento, pero con mayor torque disponible, en un movimiento lineal continuo o
discontinuo o en un movimiento combinado complejo en cualquier dirección
Los
procedimientos
mecánicos
para
estos
desplazamientos y giros siguen empleándose en
muchos casos, ya que es insustituibles en
determinadas operaciones industriales, pero con la
incorporación relativamente reciente de estas
tecnologías se han conseguido simplificar mucho las
máquinas y mecanismos haciendo más sencillos los
movimientos y permitiendo a la vez obtener de forma
más sencilla cualquier nivel de automatización.
De entre las ventajas que ofrecen los sistemas
oleohidráulicos, aplicados a soluciones mecánicas,
pueden destacarse las siguientes:







Movimientos suaves, silenciosos y libres de
vibración.
Posibilidad de invertir fácilmente el sentido de la
marcha.
Regulación sencilla de las velocidades de trabajo.
Control simple de fuerzas y torques en cilindros y
motores oleohidráulicos.
Posibilidad de conseguir arranques y paradas progresivas en los movimientos.
Fácil protección contra las sobrecargas.
Auto lubricación de todos los componentes.
Pero ya que se han enumerado algunas de las ventajas es válido mencionar algunos de los
inconvenientes que se presentan frente a las transmisiones mecánicas:



Para generar la presión y el caudal necesario es
preciso disponer de una central hidráulica dotada
de un motor de accionamiento y una bomba,
además de otros componentes auxiliares.
Se originan a veces ciertas pérdidas de energía
al paso del aceite a través de los componentes y
por los racores de unión de las tuberías.
En la puesta en marcha de los sistemas
oleohidráulicos, es preciso una purga previa de
las burbujas de aire que contiene el circuito.
1.3 APLICACIONES DE LOS SISTEMAS OLEOHIDRÁULICOS
Las aplicaciones de los sistemas oleohidráulicos son tan amplios que resulta muy complejo
establecer un listado general, ya que sólo pueden citarse los casos más comunes, los más
conocidos o los de mayor relevancia. Existen miles y miles de máquinas y mecanismos que
trabajan con estos medios de transmisión, ya que el uso generalizado de esta tecnología hace
que sea susceptible de ser instalada en cualquier tipo de industria o actividad que utilice
máquinas.
A continuación se muestra un conjunto de máquinas, implementadas con sistemas
oleohidráulicos, utilizadas en diversos campos productivos. Se pretende de esta forma dar a
conocer al estudiante las aplicaciones más generalizadas de la oleohidráulica, para que pueda
apreciar las posibilidades que dicha técnica ofrece.
Excavadora
Cargador Frontal de Ruedas
Retroexcavadora
Función Cargador
Retroexcavadora
Función Excavación
Motoniveladora
Tractor de Cadenas
Bulldozer
Rodillo Compactador
Mini Cargador
Camión de Obras
Camión Tolva
Grúa Horquilla
Grúa Pluma
CAPÍTULO 2
PRINCIPIOS DE LA OLEOHIDRÁULICA
Definiciones de Conceptos:
MECÁNICA:
Parte de la física que estudia el movimiento de los cuerpos
y las fuerzas que lo producen. También la relación entre
las fuerzas que actúan en los cuerpos en equilibrio.
FLUIDO:
Son sustancias en que las fuerzas de cohesión de las
moléculas es baja y estas pueden desplazarse unas de
otras, por lo que se adaptan con facilidad al recipiente que
las contiene
El fluido es un elemento que puede estar en estado líquido
o gaseoso, utilizaremos, en los:
Sistemas neumáticos "aire comprimido”
Sistemas hidráulicos "aceites derivados de petróleo".
MECÁNICA DE LOS FLUIDOS
Parte de la física que estudia el comportamiento de los fluidos en reposo o en movimiento,
así como de las aplicaciones y mecanismos de ingeniería que utilizan fluidos. La mecánica
de fluidos puede subdividirse en dos campos principales:
La estática de fluidos, o hidrostática, que se ocupa de los fluidos en reposo
La dinámica de fluidos, o hidrodinámica, que trata de los fluidos en movimiento.
ENERGÍA
La Energía es una propiedad de la materia la cual se manifiesta desde cualquiera de sus
estados o formas.
La más básica de sus definiciones indica que se trata de la capacidad que poseen los
cuerpos para realizar un trabajo, es decir, la cantidad de energía que contienen los cuerpos
se mide por el trabajo que realizan
LEY DE LA CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA
Una ley fundamental de la física afirma que la energía no puede crearse ni destruirse, solo
se puede transformar de una en otra.
DEFINICIÓN DE PRESIÓN
Presión es la acción de una fuerza sobre una superficie
Superficie de un cuerpo es una extensión plana limitada por
líneas rectas y/o curvas.…
Hay superficies:
1. Rectangulares
2. Redondas
3. Compuestas o irregulares
Fuerza es la causa de la deformación o variación de la inercia de un cuerpo
Hay muchas clases diferentes de fuerzas... Empuje,
Tracción, Flexión, Torsión...
En la mayoría de las ocasiones se necesita estar en contacto
con un objeto para poder aplicarle una fuerza. Sin embargo,
fuerzas como la gravitatoria, la electromagnética y las
fuerzas magnéticas pueden actuar a distancia
En general, si se aplica una fuerza sobre un objeto puede
Cambiar la velocidad del objeto
Cambiar la dirección en que se está moviendo el cuerpo
Cambiar la forma del objeto
Impulsar un cuerpo
INERCIA
Viene de inerte (muerto), o inacción, esto indica la
incapacidad de los cuerpos para salir del estado de reposo
o cambiar las condiciones de su movimiento, o cesar este
sin la aplicación o intervención de alguna fuerza.
LA PRESIÓN PUEDE TENER EFECTO EN LOS
CUERPOS SÓLIDOS, EN LOS LÍQUIDOS Y EN LOS GASEOSOS
PRESIÓN EN CUERPOS SÓLIDOS.
Una fuerza puede aplicarse a un solo punto de un sólido y
ser resistido por el cuerpo, el cual presiona sobre su apoyo
PRESIÓN EN CUERPOS LÍQUIDOS.
Las fuerzas de cohesión entre las moléculas son mayores en
los cuerpos sólidos que en los líquidos, por ello, las moléculas
de los cuerpos líquidos se desplazan unas de otras así
modifican su forma, no obstante, están íntimamente unidas,
como en los sólidos no dejando ningún espacio vacante.
Un líquido no tiene forma propia, pero si un volumen fijo.
Lo anterior les permite ser plásticos para adaptarse con
facilidad a cualquier recipiente que los contenga
Gracias a esto pueden fluir libremente
Los líquidos son prácticamente incompresibles, por lo que
ofrecen una gran resistencia a variar su volumen bajo la
acción de una fuerza
PRESIÓN EN CUERPOS GASEOSOS.
El movimiento de las moléculas en los gases es
significativamente mayor que en los líquidos, las moléculas
giran sin orden y chocan unas de otras, por lo tanto, entre ellas
si hay espacios vacíos.
Los gases no tienen volumen determinado y por ello deben ser
contenidos en un recipiente cerrado
Los gases son compresibles y ejercen una presión que, al
igual que en los líquidos se propaga en todas direcciones
Cuando más se comprime un volumen de gas encerrado,
mayor será su presión y temperatura
COMO SE CREA LA PRESIÓN
La presión se origina siempre que se produce una resistencia a la circulación de un Fluido, o
una fuerza que trata de impulsar el fluido. La tendencia a suministrar caudal (o empuje)
puede originarse mediante una bomba mecánica, compresor o simplemente por el peso del
fluido.
MECÁNICA DE FLUIDOS
Las leyes de la mecánica de fluidos pueden observarse en muchas situaciones cotidianas.
Por ejemplo, la presión ejercida por el agua en el fondo de un estanque es igual que la
ejercida por el agua en el fondo de un tubo estrecho, siempre que la profundidad sea la
misma.
Si se inclina un tubo más largo lleno de agua de forma que su altura máxima sea de 15 m, la
presión será la misma que en los otros casos (izquierda). En un balde (derecha), la fuerza
hidrostática hace que el agua fluya hacia arriba por la manguera hasta que se vacíe el cubo
o se interrumpa la succión.
PRESIÓN ATMOSFÉRICA
La presión atmosférica no es otra cosa que la presión ejercida por el aire de nuestra
atmósfera, debida a su propio peso. Al nivel del mar, una columna de aire de 1 cm 2 de
sección, y cuya altura es la atmosférica pesa 1,03 Kg.
Así pues, la presión es 1,03 Kg/cm2. A alturas más elevadas, naturalmente la columna pesa
menos y la presión es inferior. Bajo el nivel del mar la presión atmosférica es superior a 1
Kg/cm2
LEYES FÍSICAS RELATIVAS A LOS FLUIDOS.
LEY DE PASCAL.
La ley más elemental de la física referida a la hidráulica y neumática fue descubierta y
formulada por Bleise Pascal en 1653 y denominada Ley de Pascal, que dice:
La figura ilustra la Ley de Pascal. El fluido confinado en la sección de una tubería ejerce
igual fuerza en todas direcciones, y perpendicularmente a las paredes.
La figura muestra la sección transversal de un recipiente de
forma irregular, que tiene paredes rígidas El fluido confinado en
el ejerce la misma presión en todas las direcciones, tal como lo
indican las flechas. Si las paredes fueran flexibles, la sección
asumiría forma circular. Es entonces la Ley de Pascal que hace
que una manguera contra incendios asuma forma cilíndrica
cuando es conectada al suministro.
APLICACIÓN DE LA LEY DE PASCAL POR BRAMAH
En los primeros años de la revolución industrial, un mecánico británico llamado Joseph Bramah
utilizó el descubrimiento de Pascal para desarrollar una prensa
hidráulica.
Bramah pensó que si una pequeña fuerza, actuando sobre un
área pequeña, crea una fuerza proporcionalmente más grande
sobre un área mayor, el único límite a la fuerza que puede
ejercer una máquina es el área a la cual se aplica la presión.
2.1 CONCEPTO DE PRESIÓN. LEY DE PASCAL
Si un fluido confinado es sometido a una fuerza externa, al
interior de él se creará una presión, que es igual en todos los
puntos y direcciones.
Esta presión es directamente
proporcional a la fuerza externa e inversamente proporcional
al área sobre la cual se aplica dicha fuerza.
A partir de la definición dada por la Ley de Pascal, es posible
determinar matemáticamente el valor de la presión, a través
de la siguiente ecuación:
P
F
A
Donde:
F = Fuerza
P = Presión
A = Área
En unidades coherentes con el Sistema Internacional (S.I.), la
presión de mide de la siguiente manera:
P
F
N
 2  Pascal (Pa)
A m
1 bar = 100.000 Pa
1 bar = 100
KPa
1 bar = 0,1
MPa
En unidades coherentes con el Sistema Inglés, la presión
de mide de la siguiente manera:
P
F
Lb

A pu lg 2
 P.S.I.
1 bar = 14,5 psi
Las presiones se clasifican en dos grupos: presiones
absolutas y relativas.
Las presiones absolutas son
aquellas que se miden con respecto al vacío absoluto, por
lo cual son siempre positivas. Por otra parte, las presiones
relativas se miden con respecto a la presión atmosférica local, lo cual implica dos opciones:
presiones manométricas (por sobre la atmosférica) y presiones vacuométricas (por debajo de
la atmosférica).
En oleohidráulica, cuando se alude al término presión,
normalmente se refiere a la presión manométrica. Es por
esta razón que el instrumento para medir la presión se
denomina manómetro.
Es posible determinar las fuerzas (cargas) de empuje y
tracción asociadas al comportamiento de un cilindro, en
función de la presión disponible al interior del sistema y las
características geométricas del actuador. La fuerza es
proporcional a la presión y a la superficie sobre la cual se
aplica dicha presión. Es por esta razón que la fuerza de
empuje siempre es mayor que la fuerza de tracción.
MANÓMETRO
EJEMPLO DE APLICACIÓN
La presión máxima de un sistema hidráulico es de 80
bar. Si el diámetro del cilindro es de 4” y el diámetro
del vástago es de 2”, determinar:
a.- La fuerza de empuje del cilindro (avance), en
Newton.
b.- La fuerza de tracción del cilindro (retroceso), en
Newton.
CONCEPTO DE CAUDAL
El caudal se define como el volumen de aceite que pasa
por una referencia en un determinado lapso de tiempo. A
partir de esta definición es posible determinar
matemáticamente el valor del caudal, a través de la
siguiente ecuación:
Q

T
Donde:
Q = Caudal
 = Volumen
T = Tiempo
En unidades coherentes con el Sistema Internacional (S.I.), el
caudal de mide de la siguiente manera:
 m3
Q 
T
s
1 m3 = 1.000 litros
1 litro = 1.000 cm 3
En unidades coherentes con el Sistema Inglés, el caudal de
mide de la siguiente manera:
Q
 pie3

T
s
1 Gal = 3,785 litros
Además, es posible expresar el caudal de aceite que pasa
por el interior de una tubería, en función de la velocidad del
flujo y la sección transversal del conducto, a través de la
siguiente ecuación:
Q=VxA
Donde:
Q = Caudal
V = Velocidad
A = Área
(2.3)
EJEMPLOS DE APLICACIÓN
El caudal de aceite que proporciona la bomba de un sistema hidráulico es de 60 LPM. Si el
diámetro del cilindro es de 4” y el diámetro del vástago es de 2”, determinar:
a.- La velocidad de salida del vástago del cilindro (m/s).
b.- La velocidad de entrada del vástago del cilindro (m/s).
A través de una tubería de 1 ¼” de diámetro interior,
circula un caudal de aceite de 16 GPM. Determinar la
velocidad del flujo de aceite, en (m/s).
La velocidad del aceite al interior de una tubería es de 1
m/s. Si el caudal de aceite que circula a través del ducto
es de 80 LPM, determinar el diámetro comercial de la
tubería, en pulgadas.