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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.