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Hidráulica. Sistemas hidráulicos. Aplicaciones industriales.
El movimiento controlado de partes o la aplicación controlada de fuerza es un requisito común en las industrias. Estas operaciones se realizan principalmente utilizando máquinas eléctricas o motores diésel, a gasolina o a vapor como motores principales. Estos motores pueden proporcionar diversos movimientos a los objetos mediante el uso de accesorios mecánicos como el gato de tornillo, la palanca, el engranaje de cremallera y piñón, entre otros. Sin embargo, estos no son los únicos motores disponibles.
Hidráulica
Los fluidos encapsulados (líquidos y gases) también pueden utilizarse como motores principales para proporcionar movimiento controlado y fuerza a objetos o mecanismos. Los sistemas de fluidos encapsulados especialmente diseñados pueden proporcionar tanto movimiento lineal como rotativo. También puede aplicarse una fuerza controlada de alta magnitud utilizando estos sistemas. Este tipo de sistemas basados en fluidos encapsulados, que utilizan líquidos incompresibles presurizados como medio de transmisión, se denominan sistemas hidráulicos. El sistema hidráulico funciona según el principio de la ley de Pascal, que establece que la presión aplicada a un fluido confinado se transmite íntegramente en todas las direcciones.
La fuerza proporcionada por un fluido presurizado se obtiene multiplicando la presión por el área de la sección transversal. Dado que la presión es la misma en todas las direcciones, el pistón más pequeño experimenta una fuerza menor, mientras que un pistón más grande experimenta una fuerza mayor. Por lo tanto, es posible generar una gran fuerza con una entrada muy pequeña utilizando sistemas hidráulicos.
La palabra “hidráulica” proviene del griego hydor (“agua”) y aulos (“tubo”, “conducto”). Originalmente se refería al estudio del comportamiento físico del agua en reposo y en movimiento.
La “hidráulica”, como adjetivo, indica que una palabra está relacionada con líquidos. Ejemplos pueden encontrarse en su uso cotidiano en conexión con elementos como gatos hidráulicos y frenos hidráulicos. Como ejemplo ilustrativo, la frase “elevador hidráulico de carga” se refiere a un elevador que asciende y desciende mediante una columna de líquido en lugar de utilizar cables y un tambor.
Por otro lado, “hidráulica” es también el nombre genérico de una disciplina. Según el diccionario, la hidráulica es la ciencia que trata de las aplicaciones prácticas (como la transmisión de energía o el caudal) de los líquidos en movimiento.
Hidráulica significa utilizar las propiedades de los líquidos para transmitir presión y movimiento. Las máquinas más conocidas de este tipo son la prensa hidráulica y el gato hidráulico. El principio del líquido a presión y el aumento de la eficiencia mecánica hacen que sea ideal para sistemas de frenado de vehículos.
Un sistema hidráulico básico consta de dos pistones conectados por un fluido dentro de cilindros: uno de diámetro reducido y otro de mayor diámetro. Una fuerza aplicada al pistón pequeño genera cierta presión en el fluido, la cual se transmite al pistón mayor.
Debido a que el área del pistón grande es mayor, la fuerza ejercida sobre él también será mayor. Se obtiene una ventaja mecánica en fuerza, aunque el pistón pequeño debe recorrer una distancia más larga para mover el pistón mayor solo una distancia pequeña. Se gana fuerza, pero se pierde desplazamiento.
Fig. 1 - Un sistema hidráulico como éste a veces se denomina “palanca líquida”.
Actualmente, el uso de la palabra se ha ampliado para incluir el comportamiento de todos los líquidos, especialmente en movimiento. La hidráulica estudia cómo actúan los líquidos en tanques y tuberías, sus características y formas de aprovecharlas. Hoy, el término hidráulica se emplea para referirse a la transmisión y control de fuerzas y movimientos mediante líquidos. En la mayoría de los casos se trata de aceites minerales, aunque también pueden emplearse otros fluidos como líquidos sintéticos, agua o emulsiones agua-aceite.
La potencia fluida es un término creado para incluir la generación, control y uso de energía en forma continua y eficiente mediante fluidos bombeados o comprimidos (líquidos o gases). Esta energía se utiliza para proporcionar fuerza y movimiento a mecanismos en forma de empuje, tracción, rotación, regulación o accionamiento. La potencia fluida incluye la hidráulica (líquidos) y la neumática (gases). Los líquidos y los gases presentan muchas similitudes en su comportamiento dentro de sistemas de potencia fluida.
Sistemas hidráulicos
Un sistema hidráulico contiene y confina un líquido de manera que pueda emplear las leyes que gobiernan los líquidos para transmitir potencia y realizar trabajo. Entre sus componentes principales se encuentran: el depósito de aceite (sumidero o tanque), filtros, reguladores, conexiones, intercambiadores de calor y acumuladores. Los acumuladores actúan como almacenadores de energía y como reservas de fluido.
Un sistema hidráulico típico incluye un depósito de almacenamiento, filtro, bomba hidráulica, regulador de presión, válvula de control, cilindro hidráulico, pistón y tuberías a prueba de fugas. El esquema de un sistema básico se muestra en la figura 2.
- Pistón móvil conectado al eje de salida dentro de un cilindro cerrado.
- Depósito de almacenamiento.
- Filtro.
- Bomba eléctrica.
- Regulador de presión.
- Válvula de control.
- Tuberías de circuito cerrado a prueba de fugas.
El eje de salida transfiere el movimiento o la fuerza, mientras que los demás elementos controlan el sistema. El fluido utilizado suele ser un aceite incompresible de alta densidad. Se filtra para eliminar impurezas y se bombea mediante la bomba hidráulica. La presión del fluido puede aumentar indefinidamente en el extremo del pistón si no se controla; por ello se utiliza un regulador de presión que devuelve el exceso al depósito.
El movimiento del pistón se controla cambiando el flujo hacia el puerto A o el puerto B mediante una válvula direccional. Las tuberías a prueba de fugas son esenciales por razones de seguridad, ambientales y económicas.
Figura 2 – Esquema de un sistema hidráulico.
Desarrollo de la hidráulica
Aunque el desarrollo moderno de la hidráulica es relativamente reciente, las antiguas civilizaciones ya aplicaban muchos principios hidráulicos. Egipcios, persas, indios y chinos transportaban agua mediante canales, presas y esclusas. Los cretenses desarrollaron sistemas de fontanería avanzados. Arquímedes estudió la flotación y los cuerpos sumergidos. Los romanos construyeron acueductos monumentales para abastecer sus ciudades.
Tras la caída del Imperio Romano, hubo pocos avances durante siglos. Posteriormente, entre los siglos XVII y XVIII, científicos como Evangelista Torricelli, Edme Mariotte y Daniel Bernoulli investigaron la descarga de agua y el comportamiento de los fluidos. En este mismo período, Blaise Pascal formuló la ley fundamental que sustenta la hidráulica.
Para hacer útil la ley de Pascal en aplicaciones prácticas, era necesario fabricar pistones con un ajuste preciso. Esto no fue posible hasta finales del siglo XVIII, cuando se desarrollaron máquinas capaces de mecanizar piezas con alta precisión, incluyendo juntas y empaquetaduras. Desde entonces, válvulas, bombas, cilindros y motores hidráulicos evolucionaron hasta convertirse en una de las tecnologías principales de transmisión de potencia.
La prensa hidráulica, inventada por John Bramah, fue una de las primeras máquinas prácticas que utilizó hidráulica en su operación. Consistía en una bomba de émbolo conectada a un cilindro grande mediante tuberías. Esta prensa tuvo un amplio uso debido a su eficacia para generar grandes fuerzas de manera económica.
Campos de aplicación de la hidráulica y neumática
Hoy, la oleohidráulica y la neumática se utilizan en un amplio rango de aplicaciones gracias a mejoras en el diseño y fabricación de componentes, materiales de mejor calidad y estudios avanzados de los principios fluidodinámicos. Esto ha permitido equipos más precisos y con mayor capacidad energética, impulsando el desarrollo industrial.
Los sistemas hidráulicos presentan muchas características deseables. Una desventaja es el alto costo inicial de algunos componentes, pero esto se compensa por múltiples ventajas:
- Eficiencia. Exceptuando pérdidas mecánicas, casi toda la energía transmitida mediante un sistema hidráulico se recibe en la salida. Los sistemas eléctricos son entre un 15% y 30% menos eficientes; y los sistemas completamente mecánicos pueden ser entre 30% y 70% menos eficientes debido a la inercia y las pérdidas por fricción.
- Confiabilidad. Los sistemas hidráulicos son muy confiables y no suelen presentar fallas repentinas.
- Sensibilidad de control. El fluido confinado transmite la fuerza de manera similar a una barra sólida, pero las partes móviles son livianas y responden casi instantáneamente. Las válvulas pueden iniciar o detener el flujo presurizado con muy poco esfuerzo.
- Flexibilidad de instalación. Las tuberías hidráulicas pueden instalarse prácticamente en cualquier recorrido, a diferencia de los sistemas mecánicos rígidos.
- Aprovechamiento del espacio. Los componentes hidráulicos suelen ser compactos, requiriendo poco espacio.
- Bajo peso. En relación con la potencia transmitida, el peso total del sistema hidráulico es menor que el de un sistema mecánico o eléctrico equivalente, lo que lo hace ideal en aeronáutica.
- Autolubricación. La mayoría de las partes trabajan inmersas en aceite, por lo que el desgaste es mínimo.
- Bajo mantenimiento. Los registros muestran pocas necesidades de ajustes o reparaciones imprevistas.
Fuerza
En mecánica, la fuerza es un empuje o tracción que tiende a mover un objeto. Incluso cuando no ocurre movimiento por existir resistencia, la fuerza sigue presente.
Dirección de la fuerza. Puede actuar hacia abajo (gravedad), hacia arriba, en sentido transversal (viento sobre un barco) o en muchas direcciones simultáneamente (explosión de un globo).
Magnitud de la fuerza. En EE.UU. la unidad es la libra-fuerza (lbf). La fuerza hidráulica se expresa en libras aplicadas sobre un área específica, como una pulgada cuadrada.
Presión. La presión tiene un uso técnico y uno no técnico. En el uso técnico siempre incluye un número (ej.: “1500 psi”). En el uso no técnico carece de número y solo indica intensidad vaga (leve, media, fuerte).
Medición de presión
La presión se define como la fuerza por unidad de área. En EE.UU. se expresa como libras por pulgada cuadrada (psi). Ej.: 50 psi = 50 libras-fuerza aplicadas a 1 pulgada².
Aplicaciones modernas
Hoy la hidráulica acciona herramientas, equipos médicos, frenos, transmisiones automáticas, dirección asistida, maquinaria de construcción, sistemas aeronáuticos, navales, automotrices, teatrales, industriales, etc.
La neumática y la hidráulica también pueden combinarse, formando sistemas hidroneumáticos, como los elevadores de garaje que operan mediante presión de aire sobre fluido hidráulico.
Aplicaciones móviles
Tractores, grúas, retroexcavadoras, camiones recolectores, cargadores frontales, frenos y suspensiones de camiones, vehículos de construcción y mantenimiento de carreteras, etc.
Aplicaciones industriales
- Industria plástica
- Máquinas-herramienta
- Procesamiento de alimentos
- Robótica y automatización
- Montaje industrial
- Minería
- Industria siderúrgica
- Etc.
Otras aplicaciones incluyen automoción (suspensión, frenos, dirección), aeronáutica (alerones, trenes, frenos, simuladores), naval (timones, mecanismos, sistemas auxiliares), medicina (instrumental quirúrgico, camas, sillones odontológicos), escenografía, cinematografía, parques de atracciones, represas, puentes levadizos, plataformas petroleras, ascensores, mesas elevadoras, etc.
Conceptos destacados :
| English |
Español |
| hydraulic system |
(sistema hidráulico). Conjunto de componentes que utilizan un líquido presurizado para transmitir potencia y realizar trabajo. |
| Pascal's law |
(ley de Pascal). Principio que establece que la presión aplicada a un fluido confinado se transmite íntegramente en todas las direcciones. |
| hydraulic press |
(prensa hidráulica). Máquina que utiliza un fluido presurizado para generar grandes fuerzas mediante pistones de diferente área. |
| hydraulic jack |
(gato hidráulico). Dispositivo que emplea presión hidráulica para elevar cargas pesadas con poco esfuerzo. |
| fluid power |
(potencia fluida). Tecnología que emplea líquidos o gases presurizados para generar y controlar fuerza y movimiento. |
| hydraulic pump |
(bomba hidráulica). Elemento que suministra caudal al sistema convirtiendo energía mecánica en energía hidráulica. |
| pressure regulator |
(regulador de presión). Dispositivo que limita o controla la presión máxima dentro de un sistema hidráulico. |
| directional control valve |
(válvula direccional). Válvula que controla el sentido del flujo del fluido hacia los actuadores. |
| hydraulic cylinder |
(cilindro hidráulico). Actuador lineal que transforma la energía del fluido en movimiento rectilíneo. |
| piston |
(pistón). Elemento móvil que transmite la presión del fluido para generar fuerza o desplazamiento. |
| hydraulic reservoir |
(depósito hidráulico). Tanque que almacena el fluido y permite su enfriamiento y desaireación. |
| accumulator |
(acumulador). Dispositivo que almacena energía hidráulica y compensa variaciones de presión. |
| hydraulic piping |
(tuberías hidráulicas). Conductos que transportan el fluido presurizado entre los componentes del sistema. |
| pressure |
(presión). Fuerza ejercida por unidad de área en un fluido, generalmente expresada en psi o bar. |
| hydraulic efficiency |
(eficiencia hidráulica). Relación entre la energía útil entregada y la energía suministrada al sistema. |
Temas relacionados ;
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