Unidad No. 1            Conceptos Generales

Materia: Automatización Industrial

De los antiguos griegos procede la expresión pneuma, que designa la respiración, el viento y en filosofía, el alma. Como de la derivación de la palabra neuma se obtuvo, entre otras cosas, el concepto neumático, que trata los movimientos y procesos del aire.

Los sistemas hidráulicos deben trabajar con un control de atención mínima para lograr costos de producción más bajos. Estos sistemas, en combinación con un control eléctrico, electrónico, neumático o mecánico, cumplen con los requerimientos ideales para minimizar costos.

¿Qué es un fluido de potencia? Un fluido de potencia es la tecnología que trata con la generación, control y transmisión al usar fluidos presurizados. Esto puede decirse que el fluido de potencia es el músculo que mueve a la industria. El fluido puede ser líquido o gaseoso y se usa para prensar, regular o mover todas las máquinas de la industria moderna, tales como:

• La industria del acero.
• Brazos de automóviles.
• Trenes de aterrizaje en la aviación.
• Mover máquinas herramienta.
• Control de aeroplanos.
• Mover máquinas para la construcción.
• Procesos de automatización.

El fluido de potencia es específicamente para desarrollar trabajo.

El trabajo se realiza por un fluido presurizado directamente sobre un cilindro o motor a través de un músculo para realizarlo.

Hay tres formas básicas de transmitir potencia: eléctrica, mecánica y fluido de potencia.

El fluido de potencia puede transmitir más económicamente a grandes distancias que los elementos mecánicos. El secreto de los fluidos de potencia es que son ampliamente usados por su versatilidad y manejo.

Ventajas del Aire Comprimido

+ Simple y + económico.

Abundante. Está disponible para su compresión prácticamente en todo el mundo, en cantidades ilimitadas.

Transporte. El aire comprimido puede ser fácilmente transportado por tuberías, incluso a grandes distancias. No es necesario disponer tuberías de retorno.

Temperatura. El aire comprimido es insensible a las variaciones de temperatura, garantizando un trabajo seguro e incluso a extremas temperaturas.

Almacenable. No es preciso que un compresor permanezca continuamente en servicio; el aire comprimido puede almacenarse en depósitos y tomarse de estos. Además, se puede transportar en recipientes (botellas).

Antideflagrante. No existe ningún riesgo de explosión ni incendio; por lo tanto, no es necesario disponer instalaciones antideflagrantes, que son caras.

Limpio. El aire comprimido es limpio y, en caso de faltas de estanqueidad en tuberías o elementos, no produce ningún ensuciamiento. Esto es muy importante, por ejemplo, en las industrias alimenticias, de madera, textiles y del cuero.

Constitución de los elementos. La concepción de los elementos de trabajo es simple y, por tanto, de precio económico.

Velocidad. Es un medio de trabajo muy rápido y, por eso, permite obtener velocidades de trabajo muy elevadas (la velocidad de los cilindros neumáticos puede regularse sin escalones).

A prueba de sobrecargas. Las herramientas y elementos de trabajo neumáticos pueden utilizarse hasta su parada completa sin riesgo alguno de sobrecargas.

   Desventajas.

Preparación. El aire comprimido debe ser preparado antes de su utilización. Es preciso eliminar impurezas y humedad (al objeto de evitar un desgaste prematuro de los componentes).

Compresible. Con aire comprimido no es posible obtener para los émbolos velocidades uniformes y constantes.

Fuerza. El aire comprimido es económico solo hasta cierta fuerza. Condicionado por la presión de servicio normalmente usual de 700 kPa (7 bar), el límite también en función de la carrera y la velocidad, es de 20,000 a 30,000 kPa.

Escape. El escape de aire produce ruido. No obstante, este problema ya se ha resuelto en parte gracias al desarrollo de materiales insonorizantes.

Costos. El aire comprimido es una fuente de energía relativamente cara; este elevado costo se compensa en su mayor parte por los elementos de precio económico y el buen rendimiento.

Circuitos Hidráulicos.

Los circuitos hidráulicos ofrecen muchas ventajas, tales como:

Controles compuestos con simplicidad mecánica.

Infinita variedad de velocidades, muy precisas en su control y variables durante su operación.

Movimientos suaves sin vibración.

Efectos de amortiguación en los finales de carrera.

Grandes presiones donde se necesita, con o sin movimiento.

Energía mecánica fácilmente obtenible.

Movimientos lineales, de giro o parte de giro en cualquier plano.

Auto lubricado.

Eliminación de elementos mecánicos como embrague y cajas de engranajes.

Transmisión de potencia a posiciones inaccesibles por medio de elementos mecánicos.

Potencia y torques constantes.

Arranque a plena carga.

Desventajas.

Relativamente sucio.

Elementos caros.

Sensibilidad a los cambios de temperatura.

Sensibilidad a la contaminación.

Fluido hidráulico de alto costo.

Peligro debido a las altas presiones.

Almacenamiento de energía limitado.

Se requieren líneas de retorno.

Transmisión de ondas de choque por cambios de válvulas.

Vida de aceite limitada.

Riesgos de incendio.

Capacitación.

Principios de Hidrostática.

Ley de Pascal. Esta ley establece que al aplicar una presión exterior en un punto de un fluido encerrado en un recipiente cualquiera, la presión en cada punto del mismo aumenta en la cantidad igual a la citada presión exterior. En otras palabras, esta ley establece que la presión ejercida en un punto del fluido se transmite por igual en todas direcciones.

En la siguiente figura se tiene a lo que se le puede llamar palanca hidráulica.

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Hidrodinámica.

Es la parte de la hidráulica que estudia a los líquidos en movimiento y sus efectos. La hidrodinámica está basada en el principio de Bernoulli.

Bernoulli estableció que: Si un fluido viaja a través de un tubo, con un gasto constante, la presión será constante a lo largo de todo el recorrido solo si el diámetro del tubo no cambia. Si el diámetro del tubo se reduce, la velocidad del fluido deberá aumentar para mantener el gasto constante; cuando la velocidad del fluido aumenta, la presión del mismo se reduce y viceversa, cuando la velocidad del fluido disminuye, su presión aumenta.

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Algunas aplicaciones de los circuitos hidráulicos y neumáticos.

El 2º principio de Bernoulli, que detalla la energía en un punto 1 será igual a la energía del punto 2 más las pérdidas del sistema; esto es p₁/γ + v₁²/2g + z₁ = p₂/γ + v₂²/2g + z₂ + pérdidas.

Funciones de los fluidos hidráulicos.

Los fluidos hidráulicos cumplen con 4 funciones principales:

1. Transmisión de potencia.
2. Lubricar las piezas móviles del sistema.
3. Sellar las tolerancias.
4. Disipar el calor que se genera.

El fluido hidráulico también debe cumplir otros requisitos:

• Emulsibilidad (capacidad de mezclarse con el agua).
• Evitar la oxidación del mismo fluido.
• Evitar la formación de sedimento, gomosidades, barnices y lacas.
• Inhibir la espuma.
• Mantener su propia estabilidad.
• Mantener su viscosidad al variar la temperatura.
• Evitar la corrosión y picaduras.
• Compatibilidad con sellos y empaques.

Todos los requerimientos de calidad, por lo general, son el resultado de composiciones especiales (aditivos) y pueden no estar presentes en todos los fluidos.

Si la viscosidad es excesiva se tiene:

• Alta resistencia al flujo.
• Gran consumo de potencia debido a pérdida de fricción.
• Generación de calor no deseado.
• Aumento de la caída de presión.
• Riesgo de alto desgaste prematuro.
• Dificultad para eliminar la espuma.

Ahora si la viscosidad es deficiente:

• Aumento de fugas internas.
• Lubricación insuficiente.
• Disminución de la eficiencia de la bomba.
• Aumento de la temperatura por fugas.

Tipos de fluidos hidráulicos.

Los fluidos hidráulicos que se emplean en los sistemas hidráulicos de potencia pueden clasificarse en las siguientes categorías:

• Aceites derivados del petróleo (aceites minerales).
  • Fluidos resistentes a la combustión.

Aceites derivados del petróleo. En general, los aceites minerales poseen excelentes propiedades lubricantes; por su naturaleza, los aceites minerales protegen contra la oxidación, proporcionan un buen secado, disipan fácilmente el calor y son sencillos de mantener limpios mediante filtrado.

Fluidos resistentes a la combustión.

• Emulsiones de glicol-agua.
• Emulsión de agua y aceite.
• Fluidos sintéticos (ésteres de fosfatos, hidrocarburos clorados, etc.).

Los fluidos sintéticos no son recomendados para bajas temperaturas, ya que se necesitaría de un calentador auxiliar. Estos fluidos no son compatibles con sellos comúnmente usados de nitrilo (buna N y neopreno).

Los sellos más comunes para sistemas hidráulicos son:

Para el cuidado del fluido hidráulico durante la operación del sistema, se deben seguir las siguientes recomendaciones:

• Evitar la contaminación manteniendo hermético el sistema y utilizando la adecuada filtración del aire y del aceite.
• Reemplazar el fluido antes de que pierda sus propiedades de lubricación (recomendado por el proveedor).

      Mantener el nivel correcto en el depósito a fin de aprovechar sus propiedades de disipación de calor y evitar que la humedad se condense en las partes internas.

Clasificación de Bombas

Existen 2 clasificaciones de bombas identificadas por el fluido que manejan en la industria:

1.-Bombas de no desplazamiento positivo (bombas centrífugas). Este tipo de bomba no es adecuada para manejar los fluidos de potencia, ya que no es capaz de desarrollar altas presiones. Normalmente su máxima presión está limitada a 250-300 psi y se utiliza para manejar grandes flujos de un lugar a otro; a continuación se presenta una gráfica de funcionamiento.

2.-Bombas de desplazamiento positivo. Este tipo de bombas es universalmente usada para manejar los sistemas de potencia.

Como su nombre lo indica, una bomba de desplazamiento positivo maneja un volumen de fluido dentro de un sistema hidráulico por revolución. Así que una bomba es capaz de sobreponerse a la presión resultante de las cargas y resistencia debido a la fricción del sistema.

Estas bombas tienen las siguientes ventajas sobre las no desplazamiento positivo.

• Tienen capacidad de desarrollar alta presión (arriba de 10,000 psi o más).
• Son pequeñas y compactas.
• Alta eficiencia volumétrica.
• Pequeños cambios de eficiencia respecto a los rangos de presión.
• Gran flexibilidad de funcionamiento (puede operar sobre un amplio rango de requerimientos de presión y velocidad).

Existen 3 tipos principales de bombas de desplazamiento positivo: engranajes, paletas y pistones.

Existen muchas variaciones en el diseño de cada una de las bombas; por ejemplo, las de paleta y pistón pueden ser de desplazamiento fijo o variable. Una bomba de desplazamiento fijo es aquella que envía un volumen fijo por revolución y donde el desplazamiento no puede ser variado; en cambio, una bomba de desplazamiento variable puede variar cambiando la relación de varios elementos de la bomba. Este cambio de desplazamiento produce un cambio en el flujo de salida, considerando una velocidad constante. Esto deberá entenderse que las bombas no bombean presión, sino que esta es producida por la resistencia al flujo.

Para que un sistema hidráulico funcione bien, entre otras cosas se debe asegurar que en todo momento tenga una alimentación de fluido del 100%. 

La cavitación es un fenómeno que sucede cuando el fluido se evapora por excesivo vacío. Prácticamente, el único sitio del sistema hidráulico que puede tener esta condición es la succión de la bomba hidráulica.

Mientras más vacío haya, más vapor habrá y, por consiguiente, menos flujo efectivo a la salida de la bomba.

Ahora las bombas de desplazamiento positivo pueden ser también clasificadas de acuerdo al tipo de movimiento interno de los elementos, tales como:

1.- Bombas de engranes (desplazamiento fijo)

• Bombas de engranes externos
• Bombas de engranes internos
• Bombas de lóbulos
• Bombas de tornillo

2.- Bombas de paletas

• Bombas de paletas de rotor del balanceado (flujo fijo o variable)
• Bombas de paletas de rotor balanceado (solamente fijo)

3.- Bombas de pistones (flujo fijo o variable)

• Bombas de pistones axiales
• Bombas de pistones radiales

Características de las bombas de desplazamiento positivo:

Bombas de engranes externos.

Este tipo de bomba está constituido por una carcasa de fundición de hierro o de aleación de aluminio. Tiene 2 orificios, uno es de alimentación y otro de descarga. Para reducir las pérdidas de la carga, la sección del orificio es mayor que la de la salida. Debido a la manera de engranar ambos piñones, estos giran con sentido contrario. El fluido llega al orificio de alimentación y se lleva por los huecos formados por los dientes de los piñones y la carcasa.

Durante la rotación de los piñones, el fluido no solo es arrastrado, sino que queda aprisionado entre los huecos generados, por lo que no es liberado hasta que los huecos desembocan en el orificio de descarga; de aquí el fluido pasa a la línea del sistema hidráulico.

 Bombas de engranes internos.

Este tipo de bombas tiene un elemento rotativo cuya periferia se puede considerar un engranaje; los dientes de este engranaje están soportados por un disco que gira concéntricamente a la carcasa de la bomba. Es conducido por otro engranaje excéntrico, el cual es el engranaje conductor.

En estas bombas los huecos también se forman entre los dientes de los 2 engranajes (conductor y conducido). Un sello en forma de media luna es maquinado dentro del cuerpo de la bomba, entre la entrada y la salida, en donde el espacio hueco entre los dientes es mayor.

Este tipo de bomba se construye con válvula de alivio interna.

Bombas tipo gerotor

Este tipo de bomba es una variación de las bombas de engranes internos. El funcionamiento también es similar; el rotor interno (conductor) es un engranaje que tiene un diente menos que el engranaje exterior (conducido).

El piñón interno gira excéntricamente dentro del engranaje exterior y lo lleva alrededor entre dientes. Las cámaras de bombeo (hueco) se forman entre dientes y las tapas. Las puntas del rotor interno hacen contacto con el engranaje externo, sellando así las cámaras de una a otra. El grado de excentricidad y la anchura de los dientes determinan la entrega del fluido.

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Engrane tipo tornillo  

Estas bombas se pueden considerar del mismo tipo que las de engranes, ya que el tornillo helicoidal se puede considerar un engranaje alargado.

Las ventajas de este tipo de bomba son varias:

• Muy poca ruido.
• Bastante altura de alimentación.
• Velocidades elevadas con suministros constantes.

Está formada por un tornillo helicoidal central, el cual es el conductor, y por uno o dos tornillos laterales (conducidos) de menor diámetro que el central, colocado en un cilindro (carcaza). Si el tornillo central tiene hélice a derechas, los tornillos conducidos girarán a derechas. El paso del fluido desde la alimentación hasta la descarga se realiza de forma lineal entre el cilindro y los filetes de las hélices de los tornillos conducidos; de esta manera, es el tornillo central el que absorbe toda la potencia del accionamiento.

Bombas de lóbulos. 

Esta bomba trabaja a base de los mismos principios de la bomba de engranajes externos, pero tienen un desplazamiento mayor.

La mayoría de las bombas de engranajes tienen un desplazamiento arreglado. Su porcentaje de salida de volumen va desde muy bajo hasta muy alto. Normalmente son unidades de presiones moderadas, aunque algunas logran hasta 4000 psi.

Las fugas internas aumentan con el desgaste, sin embargo, son bastante duraderas y más tolerantes al polvo que otros tipos.

Bombas de paletas de rotor desbalanceado. 

En estas bombas, un rotor rasurado se coloca en el eje del impulsor y en el interior de un anillo de levas. Las paletas están situadas en el interior de las ranuras del rotor y se deslizan hacia adentro y hacia fuera de estas conforme siguen el contorno del anillo de levas que rodea al rotor. El espacio que existe entre el rotor, el anillo de levas y las ranuras adyacentes se expande y se comprime 2 veces por cada revolución del rotor. La fuerza centrífuga y la presión bajo las paletas las hace mantenerse hacia fuera en contra de la pared del anillo de levas, lo cual forma el sello entre espacios. Las cámaras de bombeo se generan entre las paletas y son encerradas por el rotor, el anillo de levas y las 2 tapas laterales.

Conforme aumenta el volumen del espacio se genera un vacío parcial, esto hace que el aceite, siendo atrapado en las cámaras de bombeo. Según gira el rotor, el volumen de las cámaras se reduce y descarga el fluido por el orificio de salida.

  Bombas de paletas de rotor balanceado 

En la actualidad, la mayoría de las bombas de paletas usan el diseño de rotor balanceado. En este tipo de bombas, el anillo de levas es más elíptico que redondo y permite 2 juegos de orificios. Los orificios de salida y de entrada tienen una separación de 180 grados, para que las fuerzas de la presión sobre el rotor se anulen, evitando así la carga en un solo lado.

El desplazamiento del diseño balanceado no puede ser ajustado de manera directa, lo que en ocasiones se hace es obtener diferentes anillos de levas y así poder modificar el desplazamiento de la bomba.

Las bombas de paletas cubren los promedios de bajo, mediano y alto volúmenes con presiones operantes de hasta 3000 psi. Son confiables y con altos rendimientos y de fácil mantenimiento. La superficie del anillo y las puntas de las paletas son las partes con mayor desgaste, esto se compensa al sacar un poco las paletas de las ranuras.

Bombas de émbolos radiales.

En estas bombas, los émbolos giran en planos perpendiculares al eje motor. La sección del cilindro gira dentro de un anillo o rotor circular; cuando la sección gira, la fuerza centrífuga cargando presión o alguna otra forma de acción mecánica hace que el émbolo siga la superficie interior del anillo, el cual está descentrado con respecto a la carcaza. Mientras los émbolos suben y bajan dentro de su carrera, arrastran el fluido cuando se mueven hacia fuera y lo descargan cuando se mueven hacia adentro.

El diámetro, la carrera y el número de émbolos determinan el caudal entregado por la bomba.

Bombas de émbolos axiales.

En las bombas de émbolos axiales, el bloque de cilindros y el eje impulsor están en la misma línea central y los émbolos tienen un movimiento de vaivén paralelos al eje del impulsor.

El bloque de cilindros de esta bomba es girado por el eje del impulsor. Los émbolos ajustados perfectamente en los cilindros son unidos a través de ellos mismos a la zapata del émbolo y un anillo retractor para que así las zapatas se sostengan en contra de un ángulo de la placa oscilante.

Cuando el bloque de cilindros va girando, la zapata del émbolo sigue a la placa oscilante, provocando que el émbolo tenga un movimiento de vaivén. Los orificios están arreglados en la placa de la válvula para que los émbolos pasen por la entrada cuando avanzan hacia el plato y pasen por la salida cuando son empujados por el plato.

En las bombas de desplazamiento variable, el plato oscilante se instala con una horquilla que cambia el ángulo del plato, para aumentar o reducir la carrera de los émbolos.

 Producción de aire comprimido.

Para producir aire comprimido se utilizan compresores que elevan la presión del aire al valor de trabajo deseado. Los mecanismos y manómetros neumáticos se alimentan desde una estación central. Entonces no es necesario calcular ni proyectar la transformación de energía para cada uno de los consumidores. El aire comprimido viene de la estación compresora y llega a las instalaciones a través de tuberías.

Tipos de compresores.

Según las exigencias referentes a la presión de trabajo y al caudal de suministro, se pueden emplear diversos tipos de construcción.

Se distinguen 2 tipos básicos de compresores:

El 1º trabaja según el principio de desplazamiento. La compresión se obtiene por la admisión del aire en un recinto hermético, donde se reduce luego el volumen. Se utiliza luego en el compresor de émbolo oscilante o rotativo.

El otro trabaja según el principio de la dinámica de los fluidos. El aire es aspirado por un lado y comprimido como consecuencia de la aceleración de la masa.

1.- Compresor de émbolo oscilante.

• Compresor de pistón.
• Compresor de membrana.

2.- Compresor de émbolo rotativo.

• Compresor rotativo celular.
• Compresor helicoidal vi celular.
• Compresor rotos.

3.- Turbocompresores.

• Compresor radial.
• Turbocompresor axial.

Compresores de émbolo.

Este es el tipo de compresor más difundido actualmente.

Es apropiado para comprimir a baja, media o alta presión. Su campo de trabajo se extiende desde 1s 100 kPa (1 bar) a varios miles de kPa.

Para obtener el aire a presiones elevadas, es necesario disponer varias etapas compresoras. El aire aspirado se somete a una compresión previa por el primer émbolo, seguidamente se refrigera, para luego ser comprimido por el siguiente émbolo. El volumen de la segunda cámara de compresión es, en conformidad con la relación, más pequeño. Durante el trabajo de compresión se forma una cantidad de calor, que tiene que ser evacuada por el sistema de refrigeración.

Los compresores

de émbolo oscilante pueden refrigerarse por aire o por agua, y según las prescripciones de trabajo, las etapas que se precisan son:

Desventajas.

Relativamente sucio.

Elementos caros.

Sensibilidad a los cambios de temperatura.

Sensibilidad a la contaminación.

Fluido hidráulico de alto costo.

Peligro debido a las altas presiones.

Almacenamiento de energía limitado.

Se requieren líneas de retorno.

Transmisión de ondas de choque por cambios de válvulas.

Vida de aceite limitada.

Riesgos de incendio.

Capacitación.

Principios de Hidrostática.

Ley de Pascal. Esta ley establece que al aplicar una presión exterior en un punto de un fluido encerrado en un recipiente cualquiera, la presión en cada punto del mismo aumenta en la cantidad igual a la citada presión exterior. En otras palabras, esta ley establece que la presión ejercida en un punto del fluido se transmite por igual en todas direcciones.

En la siguiente figura se tiene a lo que se le puede llamar palanca hidráulica.

Hidrodinámica.

Es la parte de la hidráulica que estudia a los líquidos en movimiento y sus efectos. La hidrodinámica está basada en el principio de Bernoulli.

Bernoulli estableció que: Si un fluido viaja a través de un tubo, con un gasto constante, la presión será constante a lo largo de todo el recorrido solo si el diámetro del tubo no cambia. Si el diámetro del tubo se reduce, la velocidad del fluido deberá aumentar para mantener el gasto constante; cuando la velocidad del fluido aumenta, la presión del mismo se reduce y viceversa, cuando la velocidad del fluido disminuye, su presión aumenta.

Algunas aplicaciones de los circuitos hidráulicos y neumáticos.

El 2º principio de Bernoulli, que detalla la energía en un punto 1 será igual a la energía del punto 2 más las pérdidas del sistema; esto es p₁/γ + v₁²/2g + z₁ = p₂/γ + v₂²/2g + z₂ + pérdidas.

Funciones de los fluidos hidráulicos.

Los fluidos hidráulicos cumplen con 4 funciones principales:

1. Transmisión de potencia.
2. Lubricar las piezas móviles del sistema.
3. Sellar las tolerancias.
4. Disipar el calor que se genera.

El fluido hidráulico también debe cumplir otros requisitos:

• Emulsibilidad (capacidad de mezclarse con el agua).
• Evitar la oxidación del mismo fluido.
• Evitar la formación de sedimento, gomosidades, barnices y lacas.
• Inhibir la espuma.
• Mantener su propia estabilidad.
• Mantener su viscosidad al variar la temperatura.
• Evitar la corrosión y picaduras.
• Compatibilidad con sellos y empaques.

Todos los requerimientos de calidad, por lo general, son el resultado de composiciones especiales (aditivos) y pueden no estar presentes en todos los fluidos.

Si la viscosidad es excesiva se tiene:

• Alta resistencia al flujo.
• Gran consumo de potencia debido a pérdida de fricción.
• Generación de calor no deseado.
• Aumento de la caída de presión.
• Riesgo de alto desgaste prematuro.
• Dificultad para eliminar la espuma.

Ahora si la viscosidad es deficiente:

• Aumento de fugas internas.
• Lubricación insuficiente.
• Disminución de la eficiencia de la bomba.
• Aumento de la temperatura por fugas.

Tipos de fluidos hidráulicos.

Los fluidos hidráulicos que se emplean en los sistemas hidráulicos de potencia pueden clasificarse en las siguientes categorías:

• Aceites derivados del petróleo (aceites minerales).
  • Fluidos resistentes a la combustión.

Aceites derivados del petróleo. En general, los aceites minerales poseen excelentes propiedades lubricantes; por su naturaleza, los aceites minerales protegen contra la oxidación, proporcionan un buen secado, disipan fácilmente el calor y son sencillos de mantener limpios mediante filtrado.

Fluidos resistentes a la combustión.

• Emulsiones de glicol-agua.
• Emulsión de agua y aceite.
• Fluidos sintéticos (ésteres de fosfatos, hidrocarburos clorados, etc.).

Los fluidos sintéticos no son recomendados para bajas temperaturas, ya que se necesitaría de un calentador auxiliar. Estos fluidos no son compatibles con sellos comúnmente usados de nitrilo (buna N y neopreno).

Los sellos más comunes para sistemas hidráulicos son:

Para el cuidado del fluido hidráulico durante la operación del sistema, se deben seguir las siguientes recomendaciones:

• Evitar la contaminación manteniendo hermético el sistema y utilizando la adecuada filtración del aire y del aceite.
• Reemplazar el fluido antes de que pierda sus propiedades de lubricación (recomendado por el proveedor).

      Mantener el nivel correcto en el depósito a fin de aprovechar sus propiedades de disipación de calor y evitar que la humedad se condense en las partes internas.

Clasificación de Bombas

Existen 2 clasificaciones de bombas identificadas por el fluido que manejan en la industria:

1.-Bombas de no desplazamiento positivo (bombas centrífugas). Este tipo de bomba no es adecuada para manejar los fluidos de potencia, ya que no es capaz de desarrollar altas presiones. Normalmente su máxima presión está limitada a 250-300 psi y se utiliza para manejar grandes flujos de un lugar a otro; a continuación se presenta una gráfica de funcionamiento.

2.-Bombas de desplazamiento positivo. Este tipo de bombas es universalmente usada para manejar los sistemas de potencia.

Como su nombre lo indica, una bomba de desplazamiento positivo maneja un volumen de fluido dentro de un sistema hidráulico por revolución. Así que una bomba es capaz de sobreponerse a la presión resultante de las cargas y resistencia debido a la fricción del sistema.

Estas bombas tienen las siguientes ventajas sobre las no desplazamiento positivo.

• Tienen capacidad de desarrollar alta presión (arriba de 10,000 psi o más).
• Son pequeñas y compactas.
• Alta eficiencia volumétrica.
• Pequeños cambios de eficiencia respecto a los rangos de presión.
• Gran flexibilidad de funcionamiento (puede operar sobre un amplio rango de requerimientos de presión y velocidad).

Existen 3 tipos principales de bombas de desplazamiento positivo: engranajes, paletas y pistones.

Existen muchas variaciones en el diseño de cada una de las bombas; por ejemplo, las de paleta y pistón pueden ser de desplazamiento fijo o variable. Una bomba de desplazamiento fijo es aquella que envía un volumen fijo por revolución y donde el desplazamiento no puede ser variado; en cambio, una bomba de desplazamiento variable puede variar cambiando la relación de varios elementos de la bomba. Este cambio de desplazamiento produce un cambio en el flujo de salida, considerando una velocidad constante. Esto deberá entenderse que las bombas no bombean presión, sino que esta es producida por la resistencia al flujo.

Para que un sistema hidráulico funcione bien, entre otras cosas se debe asegurar que en todo momento tenga una alimentación de fluido del 100%. 

La cavitación es un fenómeno que sucede cuando el fluido se evapora por excesivo vacío. Prácticamente, el único sitio del sistema hidráulico que puede tener esta condición es la succión de la bomba hidráulica.

Mientras más vacío haya, más vapor habrá y, por consiguiente, menos flujo efectivo a la salida de la bomba.

Ahora las bombas de desplazamiento positivo pueden ser también clasificadas de acuerdo al tipo de movimiento interno de los elementos, tales como:

1.- Bombas de engranes (desplazamiento fijo)

• Bombas de engranes externos
• Bombas de engranes internos
• Bombas de lóbulos
• Bombas de tornillo

2.- Bombas de paletas

• Bombas de paletas de rotor del balanceado (flujo fijo o variable)
• Bombas de paletas de rotor balanceado (solamente fijo)

3.- Bombas de pistones (flujo fijo o variable)

• Bombas de pistones axiales
• Bombas de pistones radiales

Características de las bombas de desplazamiento positivo:

Bombas de engranes externos.

Este tipo de bomba está constituido por una carcasa de fundición de hierro o de aleación de aluminio. Tiene 2 orificios, uno es de alimentación y otro de descarga. Para reducir las pérdidas de la carga, la sección del orificio es mayor que la de la salida. Debido a la manera de engranar ambos piñones, estos giran con sentido contrario. El fluido llega al orificio de alimentación y se lleva por los huecos formados por los dientes de los piñones y la carcasa.

Durante la rotación de los piñones, el fluido no solo es arrastrado, sino que queda aprisionado entre los huecos generados, por lo que no es liberado hasta que los huecos desembocan en el orificio de descarga; de aquí el fluido pasa a la línea del sistema hidráulico.

 Bombas de engranes internos.

Este tipo de bombas tiene un elemento rotativo cuya periferia se puede considerar un engranaje; los dientes de este engranaje están soportados por un disco que gira concéntricamente a la carcasa de la bomba. Es conducido por otro engranaje excéntrico, el cual es el engranaje conductor.

En estas bombas los huecos también se forman entre los dientes de los 2 engranajes (conductor y conducido). Un sello en forma de media luna es maquinado dentro del cuerpo de la bomba, entre la entrada y la salida, en donde el espacio hueco entre los dientes es mayor.

Este tipo de bomba se construye con válvula de alivio interna.

Bombas tipo gerotor

Este tipo de bomba es una variación de las bombas de engranes internos. El funcionamiento también es similar; el rotor interno (conductor) es un engranaje que tiene un diente menos que el engranaje exterior (conducido).

El piñón interno gira excéntricamente dentro del engranaje exterior y lo lleva alrededor entre dientes. Las cámaras de bombeo (hueco) se forman entre dientes y las tapas. Las puntas del rotor interno hacen contacto con el engranaje externo, sellando así las cámaras de una a otra. El grado de excentricidad y la anchura de los dientes determinan la entrega del fluido.

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Engrane tipo tornillo  

 Estas bombas se pueden considerar del mismo tipo que las de engranes, ya que el tornillo helicoidal se puede considerar un engranaje alargado.

Las ventajas de este tipo de bomba son varias:

• Muy poca ruido.
• Bastante altura de alimentación.
• Velocidades elevadas con suministros constantes.

Está formada por un tornillo helicoidal central, el cual es el conductor, y por uno o dos tornillos laterales (conducidos) de menor diámetro que el central, colocado en un cilindro (carcaza). Si el tornillo central tiene hélice a derechas, los tornillos conducidos girarán a derechas. El paso del fluido desde la alimentación hasta la descarga se realiza de forma lineal entre el cilindro y los filetes de las hélices de los tornillos conducidos; de esta manera, es el tornillo central el que absorbe toda la potencia del accionamiento.

Bombas de lóbulos. 

Esta bomba trabaja a base de los mismos principios de la bomba de engranajes externos, pero tienen un desplazamiento mayor.

La mayoría de las bombas de engranajes tienen un desplazamiento arreglado. Su porcentaje de salida de volumen va desde muy bajo hasta muy alto. Normalmente son unidades de presiones moderadas, aunque algunas logran hasta 4000 psi.

Las fugas internas aumentan con el desgaste, sin embargo, son bastante duraderas y más tolerantes al polvo que otros tipos.

Bombas de paletas de rotor desbalanceado. 

En estas bombas, un rotor rasurado se coloca en el eje del impulsor y en el interior de un anillo de levas. Las paletas están situadas en el interior de las ranuras del rotor y se deslizan hacia adentro y hacia fuera de estas conforme siguen el contorno del anillo de levas que rodea al rotor. El espacio que existe entre el rotor, el anillo de levas y las ranuras adyacentes se expande y se comprime 2 veces por cada revolución del rotor. La fuerza centrífuga y la presión bajo las paletas las hace mantenerse hacia fuera en contra de la pared del anillo de levas, lo cual forma el sello entre espacios. Las cámaras de bombeo se generan entre las paletas y son encerradas por el rotor, el anillo de levas y las 2 tapas laterales.

Conforme aumenta el volumen del espacio se genera un vacío parcial, esto hace que el aceite, siendo atrapado en las cámaras de bombeo. Según gira el rotor, el volumen de las cámaras se reduce y descarga el fluido por el orificio de salida.

  Bombas de paletas de rotor balanceado 

En la actualidad, la mayoría de las bombas de paletas usan el diseño de rotor balanceado. En este tipo de bombas, el anillo de levas es más elíptico que redondo y permite 2 juegos de orificios. Los orificios de salida y de entrada tienen una separación de 180 grados, para que las fuerzas de la presión sobre el rotor se anulen, evitando así la carga en un solo lado.

El desplazamiento del diseño balanceado no puede ser ajustado de manera directa, lo que en ocasiones se hace es obtener diferentes anillos de levas y así poder modificar el desplazamiento de la bomba.

Las bombas de paletas cubren los promedios de bajo, mediano y alto volúmenes con presiones operantes de hasta 3000 psi. Son confiables y con altos rendimientos y de fácil mantenimiento. La superficie del anillo y las puntas de las paletas son las partes con mayor desgaste, esto se compensa al sacar un poco las paletas de las ranuras.

Bombas de émbolos radiales.

En estas bombas, los émbolos giran en planos perpendiculares al eje motor. La sección del cilindro gira dentro de un anillo o rotor circular; cuando la sección gira, la fuerza centrífuga cargando presión o alguna otra forma de acción mecánica hace que el émbolo siga la superficie interior del anillo, el cual está descentrado con respecto a la carcaza. Mientras los émbolos suben y bajan dentro de su carrera, arrastran el fluido cuando se mueven hacia fuera y lo descargan cuando se mueven hacia adentro.

El diámetro, la carrera y el número de émbolos determinan el caudal entregado por la bomba.

Bombas de émbolos axiales.

En las bombas de émbolos axiales, el bloque de cilindros y el eje impulsor están en la misma línea central y los émbolos tienen un movimiento de vaivén paralelos al eje del impulsor.

El bloque de cilindros de esta bomba es girado por el eje del impulsor. Los émbolos ajustados perfectamente en los cilindros son unidos a través de ellos mismos a la zapata del émbolo y un anillo retractor para que así las zapatas se sostengan en contra de un ángulo de la placa oscilante.

Cuando el bloque de cilindros va girando, la zapata del émbolo sigue a la placa oscilante, provocando que el émbolo tenga un movimiento de vaivén. Los orificios están arreglados en la placa de la válvula para que los émbolos pasen por la entrada cuando avanzan hacia el plato y pasen por la salida cuando son empujados por el plato.

En las bombas de desplazamiento variable, el plato oscilante se instala con una horquilla que cambia el ángulo del plato, para aumentar o reducir la carrera de los émbolos.

Producción de aire comprimido.

Para producir aire comprimido se utilizan compresores que elevan la presión del aire al valor de trabajo deseado. Los mecanismos y manómetros neumáticos se alimentan desde una estación central. Entonces no es necesario calcular ni proyectar la transformación de energía para cada uno de los consumidores. El aire comprimido viene de la estación compresora y llega a las instalaciones a través de tuberías.

Tipos de compresores.

Según las exigencias referentes a la presión de trabajo y al caudal de suministro, se pueden emplear diversos tipos de construcción.

Se distinguen 2 tipos básicos de compresores:

El 1º trabaja según el principio de desplazamiento. La compresión se obtiene por la admisión del aire en un recinto hermético, donde se reduce luego el volumen. Se utiliza luego en el compresor de émbolo oscilante o rotativo.

El otro trabaja según el principio de la dinámica de los fluidos. El aire es aspirado por un lado y comprimido como consecuencia de la aceleración de la masa.

1.- Compresor de émbolo oscilante.

• Compresor de pistón.
• Compresor de membrana.

2.- Compresor de émbolo rotativo.

• Compresor rotativo celular.
• Compresor helicoidal vi celular.
• Compresor rotos.

3.- Turbocompresores.

• Compresor radial.
• Turbocompresor axial.

Compresores de émbolo.

Este es el tipo de compresor más difundido actualmente.

Es apropiado para comprimir a baja, media o alta presión. Su campo de trabajo se extiende desde 1s 100 kPa (1 bar) a varios miles de kPa.

Para obtener el aire a presiones elevadas, es necesario disponer varias etapas compresoras. El aire aspirado se somete a una compresión previa por el primer émbolo, seguidamente se refrigera, para luego ser comprimido por el siguiente émbolo. El volumen de la segunda cámara de compresión es, en conformidad con la relación, más pequeño. Durante el trabajo de compresión se forma una cantidad de calor, que tiene que ser evacuada por el sistema de refrigeración.

Los compresores

d émbolo oscilante pueden refrigerarse por aire o por agua, y según las prescripciones de trabajo, las etapas que se precisan son: