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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESIME ZACATENCO ISISA FOTOCELDA DE OSCURIDAD MATERIA: OLEONEUMATICA ALUMNOS: PROFESOR: RESUMEN 1 CAPITULO INTRODUCCIÓN A LA POTENCIA FLUIDA

FECHA: 21/03/2018

Capítulo 1 Conceptos básicos de sistemas de potencia En este capítulo se abordará el concepto de sistema de potencia en la forma más E general. Se denominará con este nombre a cualquier máquina, dispositivo o artefacto capaz de efectuar trabajo útil, ejecutado con cierto ritmo en el tiempo. La manifestación externa de este trabajo será —normalmente— el desplazamiento de un objeto en el espacio, en un ambiente en el que se deben superar continuamente las oposiciones del entorno. 1. Cargas externas y sistemas de potencia. La sustancia de trabajo de este texto es el diseño y operación de cierto tipo de máquinas, sistemas o dispositivos, capaces de efectuar una tarea útil mediante la ejecución de trabajo con un ritmo determinado en el tiempo. Estas máquinas deben impulsar el movimiento de un objeto —al que se dará el nombre de carga externa— con el propósito de desplazarlo cierta distancia necesaria, en un tiempo especificado en forma precisa. La tarea útil efectuada sobre la carga externa puede ser elevar un objeto pesado, alimentar una máquina para que se efectúe un proceso de manufactura, abrir o cerrar una puerta, poner en movimiento las herramientas de corte para maquinar una pieza de metal, extruir aluminio, alimentar plástico a una máquina sopladora o de inyección, etcétera. La lista de posibilidades es enorme 1.1.

Desplazamiento de la carga externa

Las posibilidades para trasladar un objeto en el espacio son prácticamente infinitas, pero cualquiera que sea el desplazamiento deseado se puede obtener como una composición de varios movimientos parciales, con trazos rectos y giros alrededor de diferentes ejes. En algunas aplicaciones se necesita deslizar linealmente a la carga externa, para lo cual se debe aplicar una fuerza F que efectúe el trabajo W. Pero la distancia se debe recorrer en un tiempo conveniente θ —es decir, con cierta velocidad promedio V = ΔL/θ— de manera que el trabajo efectuado en ese tiempo define una potencia promedio W˙ , aplicada por la máquina. También es posible que la carga externa deba recibir una rotación angular finita Δα, en un tiempo determinado θ , para lo cual se debe aplicar un par M que impulse el giro alrededor de un eje (figura 2). El recorrido angular Δα completado en el tiempo θ define una velocidad angular promedio ω˙. El producto del par aplicado por la velocidad angular define una potencia promedio.

En conclusión, para trasladar la carga externa y ejecutar la tarea útil, una máquina o dispositivo debe efectuar trabajo con un ritmo adecuado en el tiempo. Es decir, necesitamos un sistema que suministre potencia en forma controlada, para impulsar el movimiento en los términos en que se necesita. Si se suspende el suministro de potencia la carga externa se detendrá, o se moverá de manera descontrolada. Para suministrar la energía a la carga externa, el sistema de potencia debe contar con un dispositivo llamado actuador. El actuador es un componente de la máquina que se vincula directamente con la carga externa y efectúa el trabajo sobre ella (por supuesto, con un ritmo conveniente en el tiempo). En función del tipo de desplazamiento que se desea obtener, se puede emplear un actuador lineal, un actuador rotatorio o un motor.

2. Composición de un sistema de potencia Un sistema de potencia —diseñado con el propósito de ejecutar una tarea útil — puede funcionar con base en diferentes principios físicos, o estar basado en diferentes tecnologías. Por ejemplo, se puede construir un sistema de potencia cuyo funcionamiento dependa de componentes puramente mecánicos. Otros sistemas incluyen componentes eléctricos o electrónicos. Como veremos, nuestra atención se enfocará a un tipo particular de sistemas llamados sistemas de potencia fluida, que incluyen componentes no solamente electromecánicos para transmitir la energía. 2.1.

Sistema exclusivamente mecánico

Nuestro primer sistema es una de las máquinas más comunes en nuestro entorno: una bicicleta típica, como la que se muestra en la figura 4. Las bicicletas modernas se producen en diferentes tamaños y configuraciones, pues permiten desarrollar diversas aplicaciones especializadas. Sin embargo, todas ellas tienen mucho en común, y aunque cuentan con un número muy grande de componentes las podemos analizar destacando las siguientes categorías: a) Tarea útil efectuada. Desplazar una carga de hasta 200 [kg]—incluyendo al usuario— con una velocidad no mayor a 35 [km/h]. Por supuesto, estas cifras pueden variar de una bicicleta a otra, pero establecen límites razonables para la mayoría de ellas. b) Motor primario. El propio usuario; un adulto joven, con buena salud, puede suministrar 250 [W] de potencia (más o menos 1 3 [HP]), para impulsar al vehículo aplicando fuerza con sus piernas.

c) Subsistema de potencia. Está formado por el conjunto de componente o eslabones —en este caso por completo mecánicos— a través de los cuales fluye la energía necesaria para efectuar el trabajo. En este subsistema se incluyen los pedales, las bielas, la estrella o catarina central con su eje, la cadena flexible, el piñón montado en el eje posterior y la rueda trasera que impulsa al vehículo por la fricción sobre el suelo. d) Subsistema de control. Por sus componentes se transmite una forma singular de energía: la información empleada para gobernar, dosificar o modular al subsistema de potencia. Mediante los elementos de control se puede alterar la forma en que se efectúa la tarea útil. Por ejemplo, el sistema de frenos permite disminuir la velocidad del vehículo o llevarlo al reposo; con el manubrio, la tijera y la rueda delantera se impone cierta trayectoria; aún si se mantiene constante la frecuencia de pedaleo, se puede controlar la velocidad de giro de la rueda trasera cambiando la cadena de una a otra catarina en los piñones traseros; con el cambio frontal se puede seleccionar una u otra estrella central, para elegir un régimen de funcionamiento diferente para el vehículo. e) Estructura. El cuadro —una construcción de tubos de acero, aluminio o fibra de carbono— contiene a todos los demás componentes, los sujeta en las posiciones relativas que se deben mantener y absorber las reacciones que se suscitan por el funcionamiento de la máquina. f) Eficiencia global del sistema. Como en todo sistema 2.2- Sistema electromecánico Los ascensores de cables modernos tienen su origen en la invención que Elisha Graves Otis desarrolló en 1853, y mostró un año después en la exposición del Crystal Palace en la ciudad de New York. Otis desarrolló el primer sistema de seguridad contra la rotura de cables, muy similar a los que todavía se utilizan, en los ascensores actuales (figura 5) Estos sistemas de transporte vertical desplazan personas y múltiples objetos, que viajan dentro de una cabina de uno a otro piso de una edificación

3. Construcción de un sistema de potencia fluida un sistema de potencia fluida consiste en una máquina- constituida por diversos elementos para la transmisión de energía y para el control de su funcionamientocapaz de efectuar una tarea útil. Como hemos visto, su característica fundamental

reside en que la transmisión de la energía y la información se efectua por un medio de un vehiculo fluido. 3.1 Subsistema La energía se suministra a la maquina con cierto ritmo en el tiempo, por medio de un motor primario. Es decir, la maquina recibe determinada potencia que se empleara para efectuar una tarea útil: aplicar una fuerza o par torsor, para desplazar una carga lineal o angularmente a lo largo de una distancia, en un intervalo de tiempo. La bomba hidráulica convierte la energía mecánica en energía hidráulica. Es un dispositivo que toma energía de una fuente (por ejemplo, un motor, un motor eléctrico, etc.) y la convierte a una forma de energía hidráulica. La bomba toma aceite de un depósito de almacenamiento (por ejemplo, un tanque) y lo envía como un flujo al sistema hidráulico. Todas las bombas producen flujo de aceite de igual forma. Se crea un vacío a la entrada de la bomba. La presión atmosférica, más alta, empuja el aceite a través del conducto de entrada a las cámaras de entrada de la bomba. Los engranajes de la bomba llevan el aceite a la cámara de salida de la bomba. El volumen de la cámara disminuye a medida que se acerca a la salida. Esta reducción del tamaño de la cámara empuja el aceite a la salida. La bomba sólo produce flujo (por ejemplo, galones por minuto, litros por minuto, centímetros cúbicos por revolución, etc.), que luego es usado por el sistema hidráulico. La bomba NO produce “presión”. La presión se produce por acción de la resistencia al flujo. La resistencia puede producirse a medida que el flujo pasa por las mangueras, orificios, conexiones, cilindros, motores o cualquier elemento del sistema que impida el paso libre del flujo al tanque. Hay dos tipos de bombas: regulables y no regulables. 3.2 Subsistema de control. Si en algunos sistemas hidráulicos se dispusiese de tan solo una presión de trabajo, la desproporción entre determinados componentes de los mismos y la tarea que están llamados a realizar seria considerable. Por ejemplo, en una prensa hidráulica la pieza puede colocarse en posición o sujetarse mediante un cilindro hidráulico pequeño, pero el trabajo lo realiza otro de mayores dimensiones y capacidad. Si las presiones de trabajo de ambos cilindros son iguales, el de posicionamiento puede ser demasiado pequeño para realizar la función que se le confía o el de mecanización de la pieza demasiado grande para que quepa en el espacio que le corresponde. También cabe que no pueda suministrase el caudal de aceite que precisa un cilindro de diámetro muy grande, debido al coste tan

elevado de las bombas. Estas dificultades pueden obviarse optando por que una parte del sistema funcione a una determinada presión y la otra a una más baja o más alta. Frecuentemente, en un circuito completo conviene emplear, escalonada o simultáneamente, varias presiones distintas. Con un sistema de dos presiones puede reducirse considerablemente la influencia que algunos factores, como el calor, el desgaste, las fugas y el consumo de energía, ejercen sobre el sistema. Los métodos que se emplean para obtener dos o más presiones en un sistema recurren a válvulas reductoras, unidades de bombeo combinadas, válvulas de seguridad mandadas por levas, bombas independientes e intensificadores. La posicion de una valvula puede ser cambiada por diversas formas de accionamiento El dibujo que representa a la valvula es completado mediante un símbolo que se refiere al tipo de accionamiento aquí presentados (pulsador, pedal, empujador o tecla) siempre incluyen un muelle para la reposición de la valvula a su posicion normal Tratándose, por ejemplo, de una valvula accionada por una palanca y provista de una posicion de encaje, la reposición puede también ser provocada por la inversión de la conmutación. La vida útil del sistema hidráulico depende en gran medida de la selección y del cuidado que se tenga con los fluidos hidráulicos. Al igual que con los componentes metálicos de un sistema hidráulico, el fluido hidráulico debe seleccionarse con base en sus características y propiedades para cumplir con la función para la cual fue diseñado. Se usan líquidos en los sistemas hidráulicos porque tienen entre otras las siguientes ventajas: 1. Los líquidos toman la forma del recipiente que los contiene. 2. Los líquidos son prácticamente incompresibles. 3. Los líquidos ejercen igual presión en todas las direcciones. - Los líquidos toman la forma del recipiente que los contiene: Los líquidos toman la forma de cualquier recipiente que los contiene. Los líquidos también fluyen en cualquier dirección al pasar a través de tuberías y mangueras de cualquier forma y tamaño. - Los líquidos son prácticamente incompresibles: Un líquido es prácticamente incompresible. Cuando una sustancia se comprime, ocupa menos espacio. Un líquido ocupa el mismo espacio o volumen, aun si se aplica presión. El espacio o volumen ocupado por una sustancia se llama “desplazamiento”. De acuerdo con la Ley de Pascal, “la presión ejercida en un líquido, contenido en un recipiente cerrado, se transmite íntegramente en todas las direcciones y actúa con igual fuerza en todas las áreas”. Por tanto, en un sistema cerrado de aceite hidráulico, una fuerza aplicada en cualquier punto, transmite igual presión en todas las direcciones a través del sistema. Las principales funciones de los fluidos hidráulicos son: • Transmitir potencia • Lubricar • Sellar • Refrigerar Transmisión de potencia Puesto que un fluido prácticamente es incompresible, un sistema hidráulico lleno de fluido puede

producir potencia hidráulica instantánea de un área a otra. Sin embargo, esto no significa que todos los fluidos hidráulicos sean iguales y transmitan potencia con la misma eficiencia. Para escoger el fluido hidráulico correcto, se deben tener en cuenta el tipo de aplicación y las condiciones de operación en las que funcionará el sistema hidráulico. Lubricación Los fluidos hidráulicos deben lubricar las piezas en movimiento del sistema hidráulico. Los componentes que rotan o se deslizan deben poder trabajar sin entrar en contacto con otras superficies. El fluido hidráulico debe mantener una película delgada entre las dos superficies para evitar el calor, la fricción y el desgaste. Acción sellante Algunos componentes hidráulicos están diseñados para usar fluidos hidráulicos en lugar de sellos mecánicos entre los componentes. La propiedad del fluido de tener acción sellante depende de su viscosidad. Enfriamiento El funcionamiento del sistema hidráulico produce calor a medida que se transfiere energía mecánica a energía hidráulica y viceversa. La transferencia de calor en el sistema se realiza entre los componentes calientes y el fluido que circula a menor temperatura. El fluido a su vez transfiere el calor al tanque o a los enfriadores, diseñados para mantener la temperatura del fluido dentro de límites definidos. Otras propiedades que debe tener un fluido hidráulico son: evitar la oxidación y corrosión de las piezas metálicas; resistencia a la formación de espuma y a la oxidación; mantener separado el aire, el agua y otros contaminantes; y mantener su estabilidad en una amplia gama de temperaturas. Viscosidad La viscosidad es la medida de la resistencia de un fluido para fluir a una temperatura determinada. Un fluido que fluye fácilmente tiene una viscosidad baja. Un fluido que no fluye fácilmente tiene una viscosidad alta. La viscosidad de un fluido depende de la temperatura. Cuando la temperatura aumenta, la viscosidad del fluido disminuye. Cuando la temperatura disminuye, la viscosidad del fluido aumenta. El aceite vegetal es un buen ejemplo para mostrar el efecto de la viscosidad con los cambios de temperatura. Cuando el aceite vegetal está frío, se espesa y tiende a solidificarse. Si calentamos el aceite vegetal, se vuelve muy delgado y tiende a fluir fácilmente. Se pueden diferenciar tres clases básicas de fluidos hidráulicos, estos son los siguientes: a.- Líquidos de base acuosa: Aceite mineral en agua, Agua en aceite mineral, Agua con glicerina y Glicol – agua. b.- Líquidos sintéticos: Esteres Fosfatados y Siliconas c.- Aceites minerales y vegetales En algunos textos se incluye una cuarta categoría que es la de los fluidos que no causan daño al medio ambiente, esto se refiere a que el daño será mínimo en caso de un derrame. Aceite lubricante Todos los aceites lubricantes se adelgazan cuando la temperatura aumenta y se espesan cuando la temperatura disminuye. Si la viscosidad de un aceite lubricante es muy baja, habrá un excesivo escape por las juntas y los sellos. Si la viscosidad del aceite lubricante es muy alta, el aceite

tiende a “pegarse” y se necesitará mayor fuerza para bombearlo a través del sistema. La viscosidad del aceite lubricante se expresa con un número SAE, definido por la Society of Automotive Engineers. Los números SAE están definidos como: 5W, 10W, 20W, 30W, 40W, etc. 4.Sistemas simples de potencia fluida.

Este tipo de cilindros tienen una conexion, lo que significa que el aceite a presión solo actúa sobre una de las superficies del embolo El cilindro vuelve a su posicion normal por acción de una fuerza extema (simbolizada por un cilindro abierto) o por efecto de un muelle El muelle es incluido en el símbolo del cilindro. 4.1 Sistema hidráulico simple. El esquema que sigue representa un circuito hidráulico de fuerza clásico, donde el elemento de trabajo es un cilindro de fuerza. Los elementos constitutivos del circuito hidráulico son: - Un recipiente con aceite. - Un filtro - Una bomba para el aceite. - Una válvula de control que incluye una válvula de seguridad o sobre presión y la respectiva palanca de mando. - El cilindro de fuerza. - Conductos de comunicación. Mientras la palanca de accionamiento de la válvula de control está en su posición de reposo (centro) el aceite bombeado por la bomba retorna libremente al recipiente, de manera que el cilindro de fuerza se mantiene inmóvil. Una vez que se acciona la palanca de control en cualquiera de las dos direcciones, se cierra la comunicación del retorno libre al recipiente y se conecta la salida de la bomba a uno de los lados del cilindro de fuerza mientras que el otro lado se conecta al retorno. De esta forma la elevada presión suministrada por la bomba actúa sobre el pistón interior del cilindro de fuerza desplazándolo en una dirección con elevada fuerza de empuje. El movimiento de la palanca de control en la otra dirección hace el efecto contrario. 5.Ventajas de los sistemas de potencia fluida. os sistemas hidráulicos y los sistemas neumáticos son ejemplos de los que se denominan "sistemas de fluidos", de acuerdo con hydraulicsandpneumatics.com, el recurso en línea para los ingenieros de fluidos. Los sistemas hidráulicos utilizan aceite, agua o algún otro líquido para producir trabajo mecánico. Los sistemas neumáticos utilizan aire comprimido, nitrógeno o algún otro gas. Los sistemas neumáticos se consideran sistemas de fluidos energéticos debido a que estos gases comprimidos trabajan de manera muy similar a los fluidos.

Usos de los sistemas hidráulicos. La mayoría de los sistemas hidráulicos disponen de un depósito que contiene el aceite o el fluido hidráulico y una o más bombas para transmitir este fluido de una cámara a otra. Este fluido hidráulico es casi incompresible y transmite fuerzas de manera muy eficiente. Los sistemas hidráulicos funcionan a una presión mayor y tienden a producir más fuerza que los sistemas neumáticos. Por esta razón, el sistema hidráulico se utiliza a menudo para levantar y aplastar cosas. Se utiliza, por ejemplo, en los gatos y en los elevadores de automóviles. También se utiliza en las máquinas de empacado, que comprimen el material suelto como cartón, paja o basura en pacas compactas, fáciles de almacenar. Usos de los sistemas neumáticos Cualquier sistema neumático obtiene su potencia, en última instancia, a partir de un compresor de aire, que pone el gas en el sistema a alta presión, dándole la capacidad de realizar el trabajo mecánico. Estos gases comprimidos son fáciles de transportar y se pueden tomar en cualquier lugar. Los sistemas neumáticos se utilizan para ejecutar equipos, tales como taladros, en ambientes húmedos o sucios donde el equipo eléctrico sería difícil o peligroso. Como tales, se utilizan ampliamente en operaciones de minería y construcción, donde la energía eléctrica no siempre está disponible o puede crear un riesgo de explosión. Se usan en fábricas para transmitir señales al equipo, y a menudo están presentes en los sistemas de seguridad de las fábricas. Costo Los sistemas neumáticos tienden a ser más simples que los sistemas hidráulicos, y por lo tanto menos costosos a la hora de comprarlos e instalarlos. Sin embargo, sus costos de operación tienden a ser más altos que los de los sistemas hidráulicos, haciendo a la hidráulica más rentable en el largo plazo. Otras diferencias Los sistemas neumáticos, a diferencia de los sistemas hidráulicos, no pueden soportar una carga ...