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Contenidos Tema 4 Sistemas hidráulicos .pdf



Nombre del archivo original: Contenidos Tema 4 _ Sistemas hidráulicos.pdf
Título: TI2_U2_T4_Contenidos_v02
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Circuitos neumáticos y oleohidráulicos: Sistemas
hidráulicos

E
n función del contexto en que se utilice, el
concepto de "hidráulica" puede definirse de varias
maneras. En nuestro caso, dentro del contexto de
la mecánica de los fluidos, entenderemos la
hidráulica como la parte de la física que
estudia el comportamiento de los fluidos.
La palabra hidráulica proviene del griego, hydor,
y trata de las leyes que están en relación con el
agua. En rigor pues, cuando el fluido empleado
sea aceite (derivado del petróleo) deberíamos de
hablar de oleohidráulica.
El vocablo hidráulica se utiliza para definir a una
tecnología de ámbito industrial que emplea el
aceite como fluido y energía, y que está
íntimamente relacionada con las leyes de la
mecánica de los fluidos.
Por si fuera poca la confusión, además, tenemos
dos vocablos más, hidrostática e hidrodinámica.
La hidrostática trata sobre las leyes que rigen a
los fluidos en reposo, mientras que la
hidrodinámica trata sobre las leyes que rigen
sobre los fluidos en movimiento, englobándose
ambos vocablos dentro de la mecánica de fluidos.

Imagen 1. Recurso propio

Algunos ejemplos, de los muchos en que la tecnología hidráulica está presente son:
Máquinas herramientas, sujeción de piezas, movimientos de avance de las
herramientas de mecanización, desplazamiento de la mesa de trabajo en rectificadoras,
fresadoras,...
Prensas, compresión y sujeción de piezas, movimientos de separación,...
Maquinaria de obras públicas, sistemas de prensado, sujeción, elevación y
manipulación de cargas,...
Vehículos, cambios automáticos, elevación y traslación de cargas, frenos,...
Aeronáutica, trenes de aterrizajes retráctiles, movimiento de alerones, flaps, timones,...
Grúas y robots, elevación, trasladoy manipulación de cargas,...

El primer mecanismo hidráulico del que se tiene noticia, fue descrito por Arquímedes en
el siglo III a.c. por lo que se le conoce como tornillo de Arquímedes. Sin embargo este
sistema había sido utilizado anteriormente por los asirios durante el reinado de
Senaquerib durante la construcción de los jardines de Babilonia, en el siglo VII a.c.
El mecanismo consiste en un tornillo sinfín que gira en el interior de un cilindro hueco y
con el que se consigue elevar el agua de una canalización hasta cotas superiores.

Imagen 02. Wikimedia. Creative Commons

1. Propiedades de los fluidos hidráulicos

Para comprender de forma adecuada el comportamiento de los sistemas hidráulicos, es
necesario conocer previemente varias propiedades de los fluidos que determinan su
comportamiento:

Densidad.
Cociente entre la masa de una determinada sustancia y el volumen que ésta ocupa.

La unidad de densidad en el Sistema
Internacional de Unidades (S.I.) es el
kg/m3 . También son muy empleadas otras
unidades como el g/cm3 o el Kg/l.

A lo largo del tema consideraremos que
los
fluidos
hidráulicos
son
incompresibles. Es decir, su volumen no
variará con los cambios de presión y por lo
tanto su densidad será constante. Esta
suposición no tendría sentido en el caso de
los gases, sin embargo es de aplicación
general cuando se estudian líquidos.

Imagen 03. isftic. Creative Commons

En ocasiones el valor de la densidad de un fluido no se indica como un valor absoluto, sino
que se compara con el valor de la densidad del agua. En ese caso hablaremos de la
densidad relativa. Densidad relativa será el cociente entre la densidad del líquido
consideraro y la del agua, es por lo tanto una magnitud adimensional.

Otra variante de la densidad es el volumen específico. La densidad representa la cantidad
de masa de una sustancia que hay en cada unidad de volumen. Si hacemos el cálculo al
revés y dividimos el volumen de un sistema por su masa lo que obtendremos será un
número que nos indica la cantidad de volumen que es necesario coger para tener en él la
unidad de masa del sistema. Este valor es el volumen específico. Se calculará:

Las unidad de esta magnitud en el S.I. serán pues m3 /kg.

Viscosidad
Oposición de un fluido a las deformaciones tangenciales.
En el caso que nos ocupa, la viscosidad se pone de manifiesto por la fricción y el
rozamiento que se produce entre las moléculas de un fluido al circular por una
conducción y entre las moléculas del fluido y las paredes interiores de los conductos
del circuito.

Se dice que la viscosidad de un fluido es baja cuando éste
circula con facilidad por una conducción. La viscosidad se
suele medir en grados Engler, que indican la velocidad de
trasiego de 200 cm3 de fluido a través de un conducto
cilíndrico de platino con un diámetro de 2,8 mm.
La viscosidad es inversamente proporcional a la
temperatura. La relación entre estas dos magnitudes se
mide a través del Índice de viscosidad.
Se dice que un fluido posee un índice de viscosidad
muy bajo cuando es muy viscoso a bajas temperaturas
y muy fluido a altas temperaturas.
Un fluido que presente un elevado índice de
viscosidad es aquel que prácticamente se mantiene
inalterado desde el punto de vista de la viscosidad, sin
que prácticamente le afecte la temperatura del fluido.
En los circuitos hidráulicos, los aceites minerales utilizados
deben tener un índice de viscosidad no inferior a 75.
Es importante conocer la temperatura mínima a la que un
fluido puede circular por un circuito hidráulico.

Imagen 04. wikipedia. Creative Commons

Régimen laminar
Cuando un fluido circula por un circuito hidráulico, cada una de sus partículas
describe una trayectoria lineal bien definidas. Estas líneas reciben el nombre de
trayectorias de flujo o de corriente.
Se dice que el régimen de circulación es laminar cuando la velocidad del fluido no
rebasa ciertos límites y como consecuencia el movimiento de las partículas de fluido
tiene lugar entre capas paralelas que no se entremezclan, siendo prácticamente
paralelas las líneas de flujo a las paredes de los conductos.

Cada una de las trayectorias tiene una velocidad diferente, siendo mayor cuanto más al
centro de la conducción se encuentre.

Imagen 05. Recurso propio.

Régimen turbulento
Si la velocidad de circulación del fluido dentro la conducción supera un cierto valor,
llamado velocidad crítica, las capas de fluido se entremezclan y las trayectorias se
complican, dando lugar a la aparición de remolinos, en este caso se dice que el
régimen es turbulento.

Cuanto mayor sea la viscosidad de un fluido menor será su tendencia a mantener regímenes
turbulentos.

Imagen 06. Recurso propio.

El tipo de flujo dentro de una conducción se puede prever a través un coeficiente llamado
número de Reynolds (NR). Este valor se define mediante la siguiente expresión:

Donde:
es la densidad del fluido (kg/m3 )
es la velocidad del fluido (m/s)
es el diámetro del conducto (m)
es la viscosidad del fluido(N.s/m2 )

Los experimentos han demostrado que el flujo será laminar si el número de Reynolds es
aproximadamente menor de 2000 y turbulento si sobrepasa los 3000. Entre estos valores el
flujo es inestable y puede variar de un tipo de flujo al otro.

El diámetro de una arteria es 8 mm, siendo la velocidad media de la sangre 0,2 m/s,
su viscosidad 2,084 x10-3 Pa.s y su densidad 1,06x103 Kg/m3.
Determinar el número de Reynols en estas condiciones y comprobar si el flujo
sanguineo es laminar o turbulento

Resistencia a la oxidación
Los aceites utilizados como fluidos en los circuitos hidráulicos, al ser derivados del
petróleo, son oxidables, ya que el oxígeno atmosférico del aire disuelto en el aceite,
se combina fácilmente con el carbono y el hidrógeno, dando lugar a productos tanto
solubles como insolubles pero en cualquier caso perjudiciales para la vida de los
equipos.

En el caso de los productos solubles, se producen reacciones que forman lodos, corroen los
conductos e incrementan la viscosidad del fluido. Por su parte los productos insolubles son
arrastrados hasta los estrangulamientos del circuito, actuando como abrasivos, favoreciendo
el desgaste prematuro, provocando obturaciones y taponamientos.
Con objeto de evitar estos problemas en los circuitos hidráulicos, es necesario el uso de
antioxidantes, sobre todo cuando se alcanzan elevadas temperaturas del aceite.

Presión de vapor
Presión que ejerce el vapor generado por un fluido dentro de un espacio cerrado
cuando se equilibran la cantidad de fluido evaporado y el que se vuelve a condensar.
La presión de vapor es una magnitud directamente proporcional a la temperatura del
fluido.

Cuando se iguala la presión de vapor de un fluido a la presión del exterior, el líquido entra
en ebullición. En esta propiedad se basa el fenómeno de la cavitación que provoca enormes
pérdidas y destrozos en las conducciones de fluidos debido a la corrosión ocasionada.
La cavitación tiene lugar cuando ciertos fluidos que son conducidos por un circuito, puede
ocurrir que haya zonas singulares, en que la presión disminuya, si lo hace por debajo de la
presión de vapor del fluido, provocará que parte de este hierva, generándose burbujas que
son conducidas hasta zonas donde haya mayores presiones, condensándose de nuevo.

2. Principios físicos fundamentales

Una vez que hemos definido las propiedades básicas que definen las características de los
fluidos hidráulicos, es momento de estudiar las leyes y principios físicos que permiten explicar
y predecir su comportamiento.

2.1. Principio de Pascal

Principio de Pascal
La presión aplicada sobre un fluido confinado en un recipiente, se transmite
íntegramente en todas las direcciones y ejerce fuerzas iguales sobre áreas iguales,
actuando estas fuerzas perpendicularmente sobre las paredes del recipiente
contenedor.

En la imagen inferior puedes ver un ejemplo práctico del Principio de Pascal. Al ejercer una
presión con un pistón sobre un fluido confinado en un depósito esférico, esta presión se
transmite idénticamente en cada uno de los puntos de las paredes del contenedor.

Imagen 07. Blogspot. Creative Commons

En el siguiente video puedes ver varios experimentos que ponen de manifiesto el
principio de Pascal.(1'36'')
http://www.youtube.com/watch?v=i5WvvY8a2-8&feature=related

El principio de Pascal es la base en la que se apoya el funcionamiento de las máquinas
hidráulicas: la prensa, el freno, la grúa, el ascensor, el gato,...
La prensa hidráulica, permite prensar, levantar pesos o estampar metales
ejerciendo pequeñas fuerzas. Veamos como funciona:
La figura representa una prensa
hidráulica en la que un fluido llena
un circuito, que consta de dos cuellos
de diferente sección cerrados con
sendos émbolos (pistones) ajustados,
capaces de desplazarse dentro de los
tubos (cilindros). Si se ejerce una
fuerza (F1) sobre el pistón pequeño
(A1 ), la presión ejercida se transmite
a todos los puntos del fluido dentro
del recinto y produce fuerzas
perpendiculares a las paredes.
En particular, la porción de pared
representada por el pistón grande
(A2 ) recibe una fuerza (F2) de forma
que mientras el pistón pequeño baja,
el pistón grande sube. La presión
sobre los pistones es la misma:

Imagen 08. Blogspot. Creative Commons

Sin embargo las fuerzas no lo van a ser, para ello tengamos en cuenta que la presión
se obtiene dividiendo la fuerza por la superficie. Por lo tanto:

Por lo que si la superficie del pistón grande es diez veces mayor que la del pequeño,
entonces el módulo de la fuerza obtenida será diez veces mayor que la ejercida sobre
el pistón pequeño. Dicho de otra forma para levantar el vehículo habrá que aplicar
una fuerza diez veces menor utilizando esta prensa hidráulica que si lo quisieramos
lenvantar directamente.
Esta máquina reduce la fuerza necesaria, pero no te confundas, no multiplica la
energía. El volumen de líquido desplazado por el pistón pequeño se distribuye en una
capa delgada en el pistón grande, de modo que el producto de la fuerza por el
desplazamiento (el trabajo) es igual en ambos pistones. Lo entenderás mejor viendo
la siguiente imagen.

Imagen 09. Blospot. Creative Commons

Otra aplicación del principio de Pascal son los sistemas de frenado:
Los frenos de un automóvil son un conjunto de mecanismos que permiten reducir la
velocidad y parar el vehículo mientras se conduce.

Imagen 10. automotriz. Copyright

Casi todos los vehículos usan este tipo de sistema, que utiliza presión hidráulica para
hacer funcionar los frenos en cada una de las ruedas, Tanto da que sean frenos de
tambor, prácticamente en desuso, o frenos de disco, que son los que actualmente
montan casi todos los automóviles. El principio de funcionamiento es similar al de la
prensa hidráulica.

Hemos diseñado una prensa hidraulica de tal forma que la diámetro del pistón grande es
diez veces mayor que la del pistón pequeño. Halla la fuerza que actúa sobre el mayor
cuando se ejerce sobre el pequeño una fuerza de 50N.
Recuerda que la superficie de un círculo viene dada por:

Donde A es la superficie y D el diámetro.

2.2. Ecuación de continuidad

Ecuación de continuidad
Cuando un fluido fluye por un conducto de diámetro variable, su velocidad cambia
debido a que la sección transversal varía de una sección del conducto a otra.
En todo fluido incompresible, con flujo estacionario (en régimen laminar), la velocidad
de un punto cualquiera de un conducto es inversamente proporcional a la superficie,
en ese punto, de la sección transversal de la misma.

La ecuación de continuidad no es más que un caso particular del principio de conservación de la
masa. Se basa en que el caudal (Q) del fluido ha de permanecer constante a lo largo de toda la
conducción.
Dado que el caudal es el producto de la superficie de una sección del conducto por la
velocidad con que fluye el fluido, tendremos que en dos puntos de una misma tubería se
debe cumplir que, el caudal en el punto 1 (Q1) es igual que el caudal en el punto 2 (Q2).
Que es la ecuación de continuidad y dónde

S es la superficie de las secciones transversales de los puntos 1 y 2 del conducto.
v es la velocidad del fluido en los puntos 1 y 2 de la tubería.

Se puede concluir que puesto que el caudal debe mantenerse constante a lo largo de todo el
conducto, cuando la sección disminuye, la velocidad del flujo aumenta en la misma
proporción y viceversa.
En la imagen de la derecha puedes ver como la
sección se reduce de A1 a A2 . Teniendo en
cuenta la ecuación anterior:

Es decir la velocidad en el estrechamiento
aumenta de forma proporcional a lo que se
reduce la sección.

Imagen 11. dca.ulpgc. Copyrigt

Un caudal de agua circula por una tubería de 1 cm de sección interior a una velocidad de
0,5 m/s. Si deseamos que la velocidad de circulación aumente hasta los 1,5 m/s, ¿qué
sección ha de tener tubería que conectemos a la anterior?

2.3. Teorema de Bernoulli

Teorema de Bernoulli
En todo fluido ideal (sin viscosidad ni rozamiento), incomprensible, en régimen
laminar de circulación por un conducto cerrado, la energía que posee el fluido
permanece constante a lo largo de todo su recorrido.

El teorema de Bernoulli es una aplicación directa del principio de conservación de energía.
Con otras palabras está diciendo que si el fluido no intercambia energía con el exterior (por
medio de motores, rozamiento, térmica...) esta ha de permancer constante.
El teorema considera los tres unicos tipos de energía que posee el fluido que pueden cambiar
de un punto a otro de la conducción. Estos tipos son; energía cinética, energía potencial
gravitatoria y la energía debida a la presión de flujo (hidroestática). Veamos cada una de
ellas por separado:

Imagen 12. Speedace. Copyright

Energía
(hidrodinámica)

cinética

Debida a la velocidad de flujo

Energía potencial gravitatoria Debida a la altitud del fluido
Energía de flujo (hidroestática)

Debida a la presión a la que está sometido el
fluido

Por lo tanto el teorema de Bernoulli se expresa de la siguiente forma:

Donde:
v es la velocidad de flujo del fluido en la sección considerada.
V es el volumen.
g es la constante de gravedad.
h es la altura desde una cota de referencia.
p es la presión a lo largo de la línea de corriente del fluido (p minúscula).
ρ es la densidad del fluido.
Si consideramos dos puntos de la misma conducción (1 y 2) la ecuación queda:

Donde m es constante por ser un sistema cerrado y V también lo es por ser un fluido
icompresible. Dividiendo todos los términos por V, se obtiene la forma más común de la
ecuación de Bernoulli, en función de la densidad del fluido:

Una simplifación que en muchos casos es aceptable es considerar el caso en que la altura es
constante, entonces la expresión de la ecuación de Bernoulli, se convierte en:

Un ejemplo de aplicación del principio lo encontramos en el flujo de agua en una
tubería de sección variable.

Imagen 13. mauuel. Copyright

Cuando el fluido se mueve hacia la derecha, la velocidad en el punto 2 es mayor que
en el punto 1(ecuación de continuidad), por lo que la presión en 2 será menor que en
1, (ecuación de Bernouilli) la caída de presión determinan las diferencias de altura en
las columnas h.

Una aplicación muy extendida del sistema anterior es el tubo de Venturi. Este sistema
permite medir la velocidad de flujo de un fluido a través de una tubería utilizando un
sistema como el de la figura:

Obtén la expresión teórica que permite calcular la velocidad de circulación en la
tubería 1 en función de su diámetro, del diámetro del estrechamiento y de la longitud
y dendisdad de la columna de líquido manométrico (h).
Como punto de partida toma:
- La ecuación de continuidad:
-

El

teorema

de

Bernoulli

simplificado

para

altura

constante:

2.4. Pérdida de carga

Debido a las fuerzas de rozamiento que por un lado se producen entre las láminas del
fluido y por otro entre éste y las paredes de la tubería, se generan pérdidas energéticas
que producen calor, y que dan lugar a una disminución de presión en el fluido
hidráulico, es lo que se llama pérdida de carga.

En condiciones ideales, y en aplicación del teorema de Bernoulli, un fluido podría circular sin
que hubiese diferencia de presión a lo largo de una conducción horizontal. En realidad todos
los fluidos son viscosos y es necesario que exista una diferencia de presión que compense las
pérdidas de carga para que el fluido circule por la tubería.
La pérdida de carga o de presión a lo largo de una conducción se calcula con la expresión:

Donde:
L es la longitud de la tubería (m)
es el diámetro de la tubería (m)
g es la constante gravitatoria (m/s2 )
f es un coeficiente de fricción cuyo valor depende de cada fluido (adimensional)
Utilizando estas unidades, el valor de HR queda expresado en metros.
Cuando el fluido se mueve en regímenes turbulentos el valor de f se obtiene por medio de
gráficas. Si se trata de régimen laminar el valor se puede calcular mediante la expresión:

Sustituyendo en la expresión de HR:

Y sustituyendo el número de Reynolds por la expresión que lo define:

Por lo que podremos calcular la pérdida de presión que se produce en el fluido que circula
por una conducción, con la expresión:

2.5. Potencia hidráulica

Es muy habitual en el transporte de fluidos utilizar elementos mecánicos que aportan energía y
presión al mismo para favorecer o incluso posibilitar su movimiento y transporte. Estos
elementos reciben el nombre de bombas hidráulicas. Uno de los parámetros más
importantes de estos mecanismos es lo que llamaremos potencia hidráulica.

La potencia (P) de una bomba hidráulica es la relación entre la energía de flujo
proporcionada por la bomba y el tiempo que la misma ha estado en funcionamiento
para comunicar dicha energía.
Normalmente esta magnitud se suele expresar como el producto de la presión del
fluido por su caudal:

En todas las instalaciones siempre se producen pérdidas, por lo que siempre la potencia de la
bomba hidráulica debe ser mayor que la potencia teórica prevista.
Se define así el rendimiento, como el cociente entre la potencia útil necesaria y la potencia
consumida por la bomba. Este valor siempre será menor que la unidad.

A esta potencia consumida habrá que sumar la pérdida de potencia calculada en el apatado
anterior, por lo tanto:

Las expresiones que hemos obtenido son válidas para conducciones rectilíneas o con un gran
arco de curvatura. Cuando en las tuberías hay codos, racores, o cualquier otro tipo de
obstáculo, el fabricante proporciona unas tablas en las que se indica una longitud
equivalente a emplear en caso de cálculo, esta longitud sería la equivalente a una tubería
rectilínea que produjese una pérdida de carga de la misma magnitud.
Una magnitud asociada a éstas es:

Resistencia hidráulica

Dificultad que encuentra un líquido que fluye en régimen laminar, a lo largo de una
tubería, y su expresión es el cociente entre la pérdida de presión a lo largo de una
conducción y el caudal que atraviesa una sección de la tubería.

Una bomba aspirante está instalada en un pozo a seis metros sobre el nivel del agua
y tiene las siguientes características:
Diámetro del émbolo 12 cm.
Carrera del émbolo 30 cm.
Calcula:
a) El caudal suministrado por la bomba.
b) Potencia abosorvida por el motor, suponiende un rendimiento del 0,6

3. Ventajas e inconvenientes frente a la
neumática

La utilización de instalaciones hidráulicas lleva asociada una serie de ventajas muy
significativas:

Fácil regulación de la
velocidad, dado que el aceite
es un fluido incompresible, no
se producen lo cambios de
presión que se dan en los
circuitos neumáticos, por lo
que se pueden conseguir
cambios muy sensibles en la
modificación de velocidad de
los actuadores hidráulicos,
tanto modificando el caudal de
suministro de la bomba, como
utilizando válvulas de control
de caudal, lo que es más
habitual.
Reversibilidad
de
los
accionamientos,
en
los
circuitos neumáticos se puede
Imagen 13. Isftic. Creative Commons
invertir
el
sentido
del
movimiento de los actuadores
instantáneamente, sin necesidad de pasar por puntos muertos como ocurre con los
sistemas neumáticos.
Protección contra sobrecargas de presión, con el uso de válvulas limitadoras de
presión, se protegen a las instalaciones de cualquier sobrepresión. En caso de que el par o
la fuerza sobrepasen valores permisibles, entra en acción la limitadora de presión,
reduciendo la presión del circuito.
Desarrollo de grandes fuerzas, al poder utilizar sistemas de elevada presión (más de
150 Kp/cm2 ), y al ser la fuerza el producto de la presión por la superficie, con componentes
de tamaño reducido se pueden desarrollar elevadas fuerzas y pares.
Paradas intermedias exactas, debido a la incompresibilidad del fluido los actuadores
pueden detenerse en cualquier punto de la trayectoria sin que se produzcan vibraciones ni
oscilaciones alrededor del punto de parada deseado.

Respecto a los inconvenientes más significativos tenemos:
Los circuitos hidráulicos son mucho más sucios debido a la propia naturaleza del fluido.
Se precisan depósitos de recogida del fluido en los escapes de los componentes.
Tanto los equipos, como el aceite empleado en los circuitos hidráulicos es
significativamente más caro que el aire comprimido.
El aceite es inflamable y puede llegar a explotar, y mucho más sensible a la
contaminación que el aire

4. Bombas hidráulicas

Una bomba hidráulica es un dispositivo que recibe energía mecánica de una fuente
externa (un motor eléctrico o de combustión interna) y la transforma en presión sobre
un líquido, provocando su circulación por un circuito hidráulico con una velocidad de
flujo que depende de esa presión.

La energía mecánica recibida se transforma directamente en energía de presión transmitida
hidrostáticamente en el sistema hidráulico, teniendo que permanecer la descarga abierta
siempre, puesto que a medida que se obstruya, aumenta la presión en el circuito hasta
alcanzar valores peligrosos, que pueden provocar la rotura de la bomba. Por este motivo se
debe colocar una válvula de alivio o de seguridad inmediatamente a la salida de la bomba,
con una descarga a tanque y con registro de presión.
La primera bomba hidráulica de la que se
tiene conocimiento fue utilizada en el
imperio Romano, hacia año 100 a. e. y era
una bomba con un cilindro y un émbolo en
su interior y válvulas en cada extremo.
Vamos a hacer una simplificación de los
fenómenos que se producen en una bomba
hidráulica, explicados elementalmente.
En primer lugar hay que tener claro
que no es posible almacenar aceite a
presión, ya que el aceite es un fluido
incomprensible,
sólo
habrá
presión
mientras actúe la bomba.
Las bombas no crean la presión por
disminución del volumen ocupado por la
masa
del
fluido
(ya
que
es
incomprensible) sino "empujando" el
fluido que llena las tuberías.
Por esto, una pequeña bomba puede
mantener un circuito a muy alta presión, ya
que su única misión será la de compensar
las fugas y dar la presión a base de tratar
de introducir más aceite en el circuito.

Imagen 14. Wikimedia. Creative Commons

Podemos clasificar las bombas desde dos
puntos de vista: el de su función o el de su constitución interna:

En cuanto a su función, en la situación más extrema necesitaremos una
bomba que de un gran caudal a baja presión, o bien un pequeño caudal a alta
presión. Las primeras se usan para llenar rápidamente las tuberías del circuito
(como ocurre al hacer salir un cilindro que trabaje en vacío). Las del segundo
tipo elevan y mantienen la presión en el circuito. Generalmente no se emplean
dos bombas, por lo que es necesario encontrar una solución de compromiso
entre los dos casos extremos.
En cuanto a su constitución interna hay que tener en cuenta que las bombas
hidráulicas, al igual que los compresores neumáticos, constan de una carcasa
(estátor) que dispone de una entrada, y una salida por la que se extrae el fluido
a presión. El estátor lleva alojada la parte móvil (rotor), que gira de forma
solidaria a un eje que arrastra un motor. El fluido adquiere presión debido al giro
del rotor.

Existen diferentes rotores que dan lugar a los siguientes tipos de bombas.

4.1. Rotativas de engranajes externos

Generalmente están alimentadas por un motor eléctrico. Su construcción es simple, los ejes
de ambos engranajes están soportados por cojinetes de rodillos ubicados en cada extremo.
Producen caudal al transportar el fluido entre los dientes de dos engranajes acoplados. Uno
de ellos es accionado por el eje de la bomba (motriz), y éste hace girar al otro (libre). El
piñón motriz es impulsado según se indica en la figura, haciendo girar al piñón libre en
sentido contrario. En la cámara de admisión se produce una depresión que provoca la
aspiración del fluido desde el depósito. Que debido al efecto del engrane de los piñones
provoca el aumento de presión en él.

Imagen 15. sapiensman. Copyright

Imagen 16. sapiensman. Copyright

Son las bombas más ruidosas del mercado. Por lo que no se emplean en aplicaciones
fijas e interiores, donde la producción de ruido puede afectar a la salud los operarios que
trabajan con ellas. Su uso se circunscribe a maquinaria móvil, agricultura, obras públicas y
minería, aplicaciones en las que el nivel sonoro no es determinante y que utilizan fluidos
hidráulicos a los que se les dedica pocas atenciones de mantenimiento.

4.2. Rotativas de engranajes internos

Disponen de dos engranajes, uno interno cuyos dientes miran hacía el exterior, y otro
externo con los dientes hacía el centro de la bomba, de tal forma que los dientes quedan
enfrentados.
El eje motriz arrastra el engranaje interno. Entre los dos engranajes, hay una pieza de
separación en forma de media luna (de color negro en el esquema de la derecha), situada
entre los orificios de entrada y salida, donde la holgura entre los dientes de los engranajes
interno y externo es máxima. Ambos engranajes giran en la misma dirección, pero el
interno, al tener un diente más, es más lento que el externo.

Imagen 17. mailxmail. Copyright

Imagen 18. mailxmail. Copyright

El fluido hidráulico se introduce en la bomba en el punto en que los dientes de los
engranajes empiezan a separarse, y es empujado hacia la salida por el espacio existente
entre la semiluna y los dientes de ambos engranajes.
La estanqueidad se consigue entre el extremo de los dientes y la semiluna; posteriormente,
en el orificio de salida, los dientes de los engranajes se entrelazan, reduciendo el volumen
de la cámara y forzando al fluido a salir de la bomba.

4.3. Rotativas de lóbulos externos

Son similares a las bombas de engranajes externos, sin embargo difieren de ellas en el
mecanismo de accionamiento. Ambos engranajes tienen sólo tres dientes mucho más anchos
y redondeados que los de una bomba de engranajes externos y están accionados
independientemente por un sistema externo a la cámara de bombeo.

Imagen 19. mailxmail. Copyright

Imagen 20. mailxmail. Copyright

Ofrecen un mayor desplazamiento, pero su coste es más elevado y tienen inferiores
prestaciones de presión y velocidad que las bombas de engranajes, producen un caudal más
pulsatorio.
Este tipo de bomba es la más adecuada para usarla con fluidos sensibles a la cortadura,
así como para fluidos con gases o partículas atrapadas. Su elevado coste y sus bajas
prestaciones de caudal y presión la inutilizan para ser empleada en sistemas
oleohidráulicos.

4.4. De lóbulos internos

También se conocen como bombas Gerotor.
Combinan un engranaje interno dentro de otro externo. El engranaje interno está
enchavetado en el eje y lleva un diente menos que el exterior. Ambos engranajes giran en
el mismo sentido, cada diente del engranaje interno está en constante contacto con el
engranaje externo, pero con un diente de más, por lo que el externo gira más lento.

Imagen 21. mailxmail. Copyright

Imagen 22. mailxmail. Copyright

Los espacios entre los dientes giratorios aumentan durante la primera mitad de cada giro,
aspirando el fluido. Cuando estos espacios disminuyen en la segunda mitad del ciclo,
impulsan al fluido aumentando su presión.
Este tipo de bombas presenta mayor eficiencia volumétrica que la de semiluna a bajas
velocidades. Siendo bastante sensible a los contaminantes.

Visita el siguiente enlace, podrás ver un breve video (47 segundos) que muestra
como funciona una bomba hidráulica Gerotor.
http://www.hidraulicapractica.com/videos/motorg.htm
Desde esta página puedes acceder a otros muchos videos que muestran el
funcionamiento de diversas máquinas hidráulicas. El siguiente enlace te muestra el
funcionamiento de la bomba de paletas que estudiaremos en el punto siguiente (4.5)
http://www.hidraulicapractica.com/videos/bombapaletas.htm

4.5. De paletas

Este tipo de bombas están constituidas por un anillo excéntrico (estátor), un anillo giratorio
(rótor), unas paletas, y unas tapas extremas que cierran el conjunto.
El arrastre se produce por medio de un eje estriado donde va encajado el rótor.
El contacto entre las paletas y el anillo interno es debido a la fuerza centrífuga producida por
el giro del rótor. Es por lo tanto necesario mantener una velocidad mínima de rotación que
asegure el apoyo correcto entre la paleta y el anillo. En ocasiones se refuerza esta situación
colocando unos resortes entre la paleta y su alojamiento en el rótor, con lo cual se reduce la
velocidad de giro necesaria para su correcto funcionamiento.

Imagen 23. Recurso propio

Imagen 24. monografías. Copyright

Cuanto menores sean las tolerancias entre el extremo de la paleta y el anillo y entre estas y
las placas de presión, más elevado será el rendimiento de la bomba. Sin embargo es
necesario mantener una cierta tolerancia en las zonas de rozamiento, por lo que la fuerza
ejercida por la paleta sobre el anillo no debe ser excesiva ya que podría romper la película
de lubricante produciéndose contacto entre ambos.
Las lumbreras de entrada y salida del aceite están situadas en los laterales del rotor y a su
lado podemos observar las ranuras que dan presión al fondo de las paletas.
Las bombas hidráulicas de paletas son utilizadas en circuitos hidráulicos donde trabajen
máquinas en el movimiento de tierras.
Este tipo de bombas son de pequeño tamaño, en comparación con la potencia que pueden
desarrollar, trabajando aceptablemente con fluidos contaminados.

4.6. Manuales

Hay muchas variantes de ésta clase de bomba hidráulica. Normalmente se accionan con una
palanca, como en la bomba de la figura, o mediante una manivela

Imagen 25. sapiensman. Copyright

Cuando el pistón se está extendiendo se aspira el fluido por el puerto de entrada,
liberándose la válvula de retención B, inundando la cámara correspondiente, en el siguiente
movimiento del pistón se obtura la válvula de retención B, liberándose la A, produciéndose
el trasvase de fluido de la primera cámara a la segunda; en el siguiente movimiento del
pistón, se vuelve a llenar la primera cámara mientras que el fluido se expulsa al exterior por
el puerto de salida. Algunas bombas manuales disponen de una válvula antirretorno en la
zona de aspiración.
Este tipo de bombas no se suele emplear industrialmente, restringiéndose su uso para
extraer agua de pozos, inundaciones, embarcaciones, piscinas,...

5. Válvulas hidráulicas

Las
válvulas
hidráulicas
son
mecanismos que sirven para regular
el
flujo
de
fluidos.
Pueden
desempeñan
distintas funciones,
recibiendo en cada caso un nombre
diferente. Una posible clasificación
sería:

Válvulas distribuidoras: Su
función es dirigir el flujo por el
circuito según nos convenga.
Alimentan a los actuadores y a
otras válvulas.
Válvulas de cierre: Impiden el
paso de fluido en un sentido,
Imagen 26. Isftic. Creative Commons
permitiendo la libre circulación en
el sentido contrario.
Válvulas de flujo: Permiten modificar la velocidad de un actuador.
Válvulas de presión: Limitan la presión de trabajo en el circuito, actuando como
elemento de seguridad. A su vez se pueden clasificar en:
Válvulas limitadoras, cuando se supera un determinado valor de presión descargan el
circuito.
Válvulas reductoras, limitan o reducen la presión. En ocasiones un determinado
componente del circuito necesita, para su correcto funcionamiento una presión inferior
a la del fluido, en esta situación se utilizaría una válvula reductora.
Válvulas secuenciadoras: En ocasiones dentro de un circuito interesa que dos cilindros
que se alimentan simultáneamente, deseamos que uno actúe antes que el otro, en esta
situación con el uso de una válvula secuenciadora se conseguiría producir un desfase entre
los cilindros.
Válvulas de frenado: Son utilizadas para el retorno de los motores hidráulicos, ya que
evitan excesos de velocidad cuando el motor recibe una sobrecarga, así mismo evitan que
se produzcan sobrepresiones cuando se desacelera o se detiene la carga.

Los siguientes videos te muestran en detalle el funcionamiento de dos tipos de
válvulas.
Válvula distribuidoras.
aplicaciones).

10'40".

(Explica

detalladamente

el

funcionamiento

http://www.youtube.com/watch?v=7p13IUdsd20
Válvulas reguladoras de presíon. 4'25''.
http://www.youtube.com/watch?v=bH1DS_BElng&feature=related

y

6. Simbología

Existen unos organismos internacionales que se encargan de normalizar el uso de los
distintos símbolos que se utilizan, tanto en el ámbito de la neumática como de la hidráulica,
de todos ellos los más comúnmente aceptados son:

ISO. (International Standarsdising Organization).
CETOP. (Comité Europeo de Transmisiones Oleodinámicas y Neumáticas)

Hay una similitud entre los símbolos empleados por ellos, aunque mantienen algunas
diferencias.
Además de la representación de los circuitos utilizando la simbología adecuada, se deben
añadir notas que proporcionarán información adecuada para facilitar el trabajo de
instaladores y técnicos de mantenimiento de equipos e instalaciones, como sería: tipo de
tubería, caudal, potencia, presión, tipo de racor,...
Algunos de los símbolos distintos a los neumáticos más comunes se recogen en la tabla.

En la figura se puede ver la representación de un circuito hidráulico, en el que se han
utilizado los símbolos de la tabla anterior. Analiza su funcionamiento.

En el siguiente video puedes analizar el esquema de una instalación hidráulica real.
http://www.youtube.com/watch?v=oAbaapKDiAA&NR=1

7. Problemas resueltos

Selección de ejercicios propuestos en pruebas de acceso a la univerisidad.
Recopilados por el departamento de Tecnología del IES "Sierra Mágina" de Mancha
Real (Jaén)
Ejercicio 1.
Por una tubería horizontal de 20 mm de diámetro interno circula un fluido con una
velocidad de 3 m/s.
a) Calcula el caudal.
b) Calcula la sección de otra sección de la misma líena de 10 mm de diámetro
interior.
c) Si el fluido es agua, calcula la diferencia de alturas entre dos tubos verticales
colocados inmeidatamente antes y después del estrechamiento.
Dato: Densidad del agua 1 g/cm3 .

Ejercicio 2.
Una tubería horizontal de 20 mm de diámetro interior conduce agua con una
velocidad de 1 m/s. La presión en la entrada es de 10.000 Pa. En la salida hay un
estrechamiento de 10 mm de diámetro.
Despreciando el rozamiento, calcula la presión a la salida:

Ejercicio 3.
Un cilindro vertical tiene un diámetro interior de 150 mm y un agujero en la pared
lateral, cerca de la base con un diámetro de 5 mm. Si se mantiene constante el nivel
de agua en su interior en 350 mm por encima del agujero, calcula la velocidad de
salida del chorro de agua.

Ejercicio 4.
Calcula el caudal de un fluido que circula por una tubría con un diámetro interior de
30 mm sabiendo que su velocidad es de 4 m/s. ¿Qué régimen de circulación lleva el
fluido?
Datos del fluido: Densidad 850 kg/m3 , Viscosidad 0,55 centipoises


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