disenos de sistemas hidraulicos

7/21/2019 Disenos de Sistemas Hidraulicos

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FACULTAD DE INGENIERADEPARTAMENTO DE INGENIERIA INDUSTRIAL

PROCESOS INDUSTRIALES

DISEO DE SISTEMAS HIDRAULICOS

CRISTIAN ORDOEZARTURO CALLE

LUIS PATERNINA

UNIVERSIDAD DE LA COSTA, CUC


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SISTEMAS HIDRAULICOS

Uno de los sistemas ms comunes y tiles del uso de la potencia de los fluidos es aquel en donde cilindros

se extienden y retraen para transmitir fuerzas y presiones. Estos actuadores pueden ser usados para

levantar, posicionar objetos y herramientas en una gran variedad de procesos de manufactura. Se estudiar

un sistema que puede utilizar varios cilindros hidrulicos y como sistema cerrado, en donde una

determinada cantidad de fluido lquido es utiliza en circuitos cerrados, los elevadores o montacargas, los

brazos robticos son ejemplos de sistemas cerrados. Por lo general en los sistemas neumticos se utilizan

circuitos o sistemas abiertos, ya que el aire es expulsado despus de cumplir con la transmisin de la

presin, el sistema de frenos de aire de los vehculos grandes es un ejemplo de estos sistemas abiertos.

Ambos sistemas utilizan un cambio de energa del fluido de trabajo

A menudo cuando se habla de sistemas hidrulicos cerrados, nos referimos a uno en el cual el lquido es

alimentado directamente detrs de la bomba de impulso del sistema. (Figura1)

1. Especificaciones del sistema

Los criterios de seleccin de un sistema hidrulico cerrado son:

a.

Fuerzaa ejercer por el pistnb. Distanciaa travs de la cual la fuerza va a actuar

c. El tiempode ciclo para completar la extensin y retraccin del pistn

La secuencia de eventos por los cuales el pistn se extiende (Extensin) y luego se retrae (retroceso) a su

posicin original se denomina el ciclo de trabajo del sistema y el tiempo de ciclo es el tiempo requerido para

un ciclo de trabajo. Un factor adicional para la escogencia de componentes del sistema es el costo, por eso la

escogencia debe realizarse de manera que los costos totales sean un mnimo.

2. Caractersticas de los componentes:

Los componentes primarios que influyen en el comportamiento del sistema y sus caractersticas por las

cuales se seleccionan son:

a. Cilindros hidrulicos: Recorrido y dimetros

b. Bomba:Rata de flujo y presin

c. Motor:Potencia

Ejemplo: Un sistema para separar los neumticos (llantas) de los rines metlicos en los cuales estn

montados consiste de tres pistones que se extienden simultneamente para deformar el ring y simplemente

este sale de la llanta (Figura 2). Cada cilindro debe ser capaz de ejercer una fuerza de 38000 libras al

extenderse en un recorrido de 13 pulgadas en un tiempo de ciclo de 11.5 segundos, segn esto:

a. Seleccionar un pistn adecuado para este sistema

b.

Determinar las caractersticas de la bomba necesariac. Determinar la mnima potencia e HP requerida para manejar este sistema


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A continuacin se relaciona una tabla mostrando tres cilindros hidrulicos tpicos y sus dimensiones (tablas

que se encuentran en los catlogos de proveedores de cilindros)

Cilindros Dimetro del Pistn D(in) Recorrido, s (in) Dimetro de retroceso Dr(in)

A 4.0 13 2.5

B 5.0 13 3.5

C 6.0 13 4.0Tabla 1. Tipos de cilindras tpicos comerciales

Solucin:

a. Un cilindro que tenga un recorrido de 13 pulgadas se puede seleccionar de la tabla 1 y en la figura 3

se puede observar los detalles de la construccin de un cilindro. El pistn se desliza bajo la accin

de un fluido con sellos al comienzo y al final para evitar fugas y prdidas de eficiencia. En las tablas

respectivas se encontrar la respuesta usando cada uno de los tipos de cilindro, usted deber

comprobar estos valores realizando la aplicacin de las respectivas frmulas dadas.

b. Determinacin de las caractersticas de la bomba

Una vez se seleccione el cilindro, se calcula la presin requerida por el sistema para cada uno de los

tipos de cilindro.

P = F/A = F /(0.7854 D2).

En la tabla 2 se muestran los resultados para cada caso, para producir las 38000 libras

especificadas en el ejemplo.

Cilindro A B C

Presin (psi) 3024 1935 1344

Tabla 2. Presin requerida para producir 38000 lb.

Para calcular la rata de flujo necesaria para el funcionamiento del sistema especificado, es

necesario solamente determinar el volumen total que la bomba debe llenar durante un ciclo

completo de extensin/retraccin; el volumen de cada porcin de ciclo de trabajo que se

denominar en adelante como volumen de extensin (Vext) y volumen de retroceso (Vret). Como el

volumen ser igual al rea seccional del pistn por el recorrido (s), tendremos:

Vext= 0.7854D2s

El volumen de retroceso ser igual al volumen de extensin menos el volumen ocupado en el

retroceso por el cilindro que mueve el pistn (Figura 5) y por consiguiente ese volumen ser:

Vret= (0.7854D2s)(0.7854Dr

2s),

Combinando las expresiones para el volumen de extensin y el de retroceso, esta suma dar el

volumen total que se debe mover para el ciclo completo de trabajo, tendramos:

VT = 0.7854 (2D2Dr

2)s.

Y como en el ejemplo el sistema consta de tres (3) cilindros (Figura 2), el volumen de este sistema

ser

Vsist

= 3VT

Adicionalmente se puede calcular el flujo que debe mover la bomba para cada tipo de cilindro:

Q = VT /t

Y como el tiempo de ciclo es de 11.5 segundos, se puede calcular para cada caso. Los resultados se

muestran en la tabla No. 3


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Cilindro/Volumen A B C

Vext(in3) 163 255 368

Vret(in3) 100 130 204

Valor correcto = 204,6

VT (in3) 263 385 572

Vsist(in3) 789 1156

Valor correcto = 1155

1715

Valor correcto = 1716Q (in

3/s) 68.6

Valor correcto = 22.86

101


149


Q (gal/min) 17.8

Valor correcto = 5

22.6


38.7


Tabla No. 3

Vsist B =3*385 = 1155

Vsist C =3*572 = 1716

= / = 263/11.5 = . /

= / = 385/11.5 = . /

= / = 572/11.5 = . /

11.5 1

60 = 0.19

= 263

3.6 10

1 = 0.95

= / = 0.95 /0.19 = /

= 385

3.6 10

1 = 1.39

= / = 1.39 /0.19 = . /

= 572

3.6 10

1 = 2.06

= / = 2.06 /0.19 = . /

Se deben tener en cuenta algunas consideraciones adicionales acerca de las caractersticas de un

sistema como el del ejemplo:

1. El dimetro del cilindro afecta tanto a la presin requerida como a la rata de flujo. Un pistn

grande requiere una pequea presin para producir una determinada fuerza de salida, pero

como el volumen del cilindro tambin es grande, se necesitar un flujo mayor para realizar el


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tiempo de ciclo deseado. Obviamente entonces pistones pequeos pueden ser utilizados con

bombas que sean capaces de operar a grandes presiones y pequeas ratas de flujo; mientras

que pistones grandes pueden ser usados con bajas presiones y grandes ratas de flujo.

2. Puesto que el volumen retrctil es ms pequeo que el volumen de extensin, el tiempo de

extensin ser mayor que el de retraccin, por consiguiente se pueden calcular estos tiempos

como una relacin respecto al volumen total: as ser:

Text = (tiempo de ciclo)(Vext/VT) Tret= (tiempo de ciclo)( Vret/VT)

3. Durante la retraccin, la presin que mueve el pistn axialmente puede ser aplicada solamente

sobre el rea no cubierta por el pistn que acciona al cilindro del pistn que se extiende.

(Figura 6), por lo tanto la fuerza desarrollada en la extensin es mayor que la desarrollada

durante la retraccin. En la tabla No.4 se encuentran los tiempos de extensin y retraccin de

cada tipo de cilindro.

Cilindro/Tiempos A B C

Text (s) 7.13 7.62 7.4

Tret(s) 4.37 3.88 5.1


Tabla No. 4

TrC = t(Vx/V) = 11.5seg (204in/572in) = .

c. Determinacin de la potencia mnima para manejar este sistema

Como el sistema descrito en el ejemplo debe realizar una fuerza de 38000 libras durante la

extensin del pistn, el tiempo en que actuar ser mientras se extiende, por lo tanto:

P = F.s/Text , por razones de unidades el recorrido se debe expresar en pies.

En la tabla 5 se muestran los resultados

Cilindro Dimetro del pistn (D) Presin (psi) Flujo (gal/min) Potencia (HP)

A 4.0 3024 17.8

/

29.5

Valor correcto = 8.94B 5.0 1935 23.2

. /

29.4

Valor correcto =8.36

C 6.0 1244

Valor correcto = 1344

38.7

. /

30.3

Valor correcto =8.61

Tabla No. 5

12 in .

= 0,923 ft.

=

=

38000 (0,923 ft)

7.13 (550)= ,

= = 38000 (0,923 ft)

7.62 (550)= ,

=

=

38000 (0,923 ft)

7.4 (550)= ,


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