2. Principios de Hidráulica

2.1 Introducción

Los sistemas hidráulicos son indispensables en la operación del equipo pesado. Los principios de hidráulica básica se aplican en el diseño de los sistemas hidráulicos de los implementos, sistemas de dirección, sistemas de frenos y sistemas del tren de fuerza. Se deben conocer los principios de hidráulica básica antes de estudiar los sistemas hidráulicos de la máquina.

2.2 Objetivos

Al terminar esta unidad, el estudiante podrá entender y demostrar los principios de hidráulica básica.

Principios de Hidráulica:

Todos sabemos que los principios de hidráulica básica se pueden demostrar al ejercer presión controlada a un líquido para realizar un trabajo. Existen leyes que definen el comportamiento de los líquidos en condiciones de variación de flujo y aumento o disminución de presión. El estudiante debe tener la capacidad de describir y entender estas leyes, si desea tener éxito como técnico de equipo pesado.

Objetivos

Al terminar esta lección, el estudiante podrá:

1. Explicar por qué se usa un líquido en los sistemas hidráulicos.
2. Definir la Ley de Pascal aplicada a los principios de hidráulica.
3. Describir las características de un flujo de aceite que pasa a través de un orificio.
4. Demostrar y entender los principios de hidráulica básica.

2.3 Uso de líquidos en los sistemas hidráulicos

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.

Uso de líquidos en los Sistemas Hidráulicos

2.3.1 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.

Recipiente con Líquido Incomprensible

2.3.2 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 el volumen ocupado por una sustancia se llama «desplazamiento».

Líquidos Incompresibles

2.3.3 Un gas puede comprimirse

Cuando un gas se comprime ocupa menos espacio y su desplazamiento es menor. El espacio que deja el gas al comprimirse puede ser ocupado por otro objeto. Un líquido se ajusta mejor en un sistema hidráulico, puesto que todo el tiempo ocupa el mismo volumen o tiene el mismo desplazamiento.

Funcionamiento del Sistema Hidráulico

2.4 Sistema hidráulico en funcionamiento

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. En el ejemplo de la figura 2.1.4, una fuerza de 226,8 kg (500 lb) que actúa sobre un pistón de 5,1 cm (2 pulgadas) de radio crea, en un líquido contenido en un recipiente cerrado, una presión aproximada de 275,6 kPa (40 lb/pulg2). Las mismas 275,6 kPa (40 lb/pulg2), el actuar sobre un pistón de 7,62 cm (3pulgadas) de radio, soportan un peso de 512,6 kg (1.130 libras).

Sistema Hidráulico en Funcionamiento

Una fórmula simple permite calcular la fuerza, la presión o el área, si se conocen dos de estas tres variables. Es necesario entender estos tres términos para asimilar los fundamentos de hidráulica. Una fuerza es la acción de ejercer presión sobre un cuerpo. La fuerza se expresa generalmente en kilogramos (kg) o libras (lb). La fuerza es igual a la presión por el área (F = P x A). La presión es la fuerza de un fluido por unidad de área y se expresa generalmente en unidades de kilopascal es (kPa) o libras por pulgada cuadrada (lb/pulg2).

El área es una medida de superficie. El área se expresa en unidades de metros cuadrados o pulgadas cuadradas. Algunas veces el área se refiere al área efectiva. El área efectiva es la superficie total usada para crear una fuerza en una dirección deseada.

El área de un círculo se obtiene con la fórmula:

• Área = Pi (3,14) por radio al cuadrado
• Si el radio del círculo es de 2 pulgadas, figura 2.1.4,
• A = Pi x r2
• A = 3,14 x (2″ x 2″)
• A = 12,5 pulg2

Conociendo el área, es posible determinar qué presión se necesitará en el sistema para levantar un peso dado. La presión es la fuerza por unidad de área y se expresa en unidades de kilo pascales (kPa) o libras por pulgada cuadrada (lb/pulg2). Si una fuerza de 500 libras actúa sobre un área de 12,5 pulg2, se produce una presión de 40 lb/pulg2. La presión se obtiene con la fórmula:

• Presión = Fuerza, dividida por unidad de área
• P = 500 lb/12,5 pulg2
• P = 40 lb/pulg2

Si aplicamos la fórmula para el cilindro más grande (figura 2.1.4) encontramos:

• Presión x Área = Fuerza
• 40 x (3×3) x 3,14 = Fuerza
• 40 x 28,26 = 1.130 lb.

Fig. 2.1.6 Ventaja Mecánica

2.4.1 Ventaja mecánica

La figura 2.1.6 muestra de qué manera un líquido en un sistema hidráulico proporciona una ventaja mecánica. Como todos los cilindros están conectados, todas las áreas deben llenarse antes de presurizar el sistema. Use la fórmula hidráulica y calcule el valor de los elementos que están con signo de interrogación. Los cilindros se numeran de izquierda a derecha. Para calcular la presión del sistema, debemos usar los dos valores conocidos del segundo cilindro de la izquierda. Se usa la fórmula «presión igual a fuerza dividida por área».

Conocida la presión del sistema, podemos calcular la fuerza de la carga de los cilindros uno y tres y el área del pistón del cilindro cuatro.

Calcule las cargas de los cilindros uno y tres, usando la fórmula fuerza igual a presión por área (Fuerza = Presión x Área).

Calcule el área del pistón del cilindro cuatro, usando la fórmula área igual a fuerza dividida por presión (Área = Fuerza/Presión).

Fig. 2.1.7 Flujo sin Restricción

2.5 Efecto del orificio

Cuando hablamos en términos hidráulicos, es común usar los términos «presión de la bomba». Sin embargo, en la práctica, la bomba no produce presión. La bomba produce flujo. Cuando se restringe el flujo, se produce la presión.

En las figuras 2.1.7 y 2.1.8, el flujo de la bomba a través de la tubería es de 1 gal EE.UU./min.

En la figura 2.1.7, no hay restricción de flujo a través de la tubería; por tanto, la presión es cero en ambos manómetros.

Fig. 2.1.8 Efecto del Orificio

2.5.1 Un orificio restringe el flujo

Un orificio restringe el flujo de la bomba. Cuando un aceite fluye a través de un orificio, se produce presión corriente arriba del orificio.

En la figura 2.1.8 hay un orificio en la tubería entre los dos manómetros. El manómetro corriente arriba del orificio indica que se necesita una presión de 207 kPa (30 lb/pulg2), para enviar un flujo de 1 gal EE.UU./min a través del orificio. No hay restricción de flujo después del orificio. El manómetro ubicado corriente abajo del orificio indica presión de cero.

Fig. 2.1.9 Bloqueo del Flujo

2.5.2 Bloqueo del flujo de aceite al tanque

Cuando se tapa un extremo de la tubería, se bloquea el flujo de aceite al tanque. La bomba regulable continúa suministrando flujo de 1 gal EE.UU./min y llena la tubería. Una vez llena la tubería, la resistencia a cualquier flujo adicional que entre a la tubería produce una presión. Esta presión se comporta de acuerdo con la Ley de Pascal, definida como «la presión ejercida en un líquido que está en un recipiente cerrado se transmite íntegramente en todas las direcciones y actúa con igual fuerza en todas las áreas».

La presión será la misma en los dos manómetros. La presión continúa aumentando hasta que el flujo de la bomba se desvíe desde la tubería a otro circuito o al tanque. Esto se hace, generalmente, con una válvula de alivio para proteger el sistema hidráulico. Si el flujo total de la bomba continúa entrando a la tubería, la presión seguiría aumentando hasta el punto de causar la explosión del circuito.

Fig. 2.1.10 Restricción del flujo en un circuito en serie

2.5.3 Restricción del flujo en un circuito en serie

Hay dos tipos básicos de circuitos: en serie y en paralelo.

En la figura 2.1.10, se requiere una presión de 620 kPa (90 lb/pulg2) para enviar un flujo de 1 gal EE.UU./min a través de los circuitos. Los orificios o las válvulas de alivio ubicados en serie en un circuito hidráulico ofrecen una resistencia similar a las resistencias en serie de un circuito eléctrico, en las que el aceite debe fluir a través de cada resistencia. La resistencia total es igual a la suma de cada resistencia individual.

Fig. 2.1.11 Restricción de flujo en un circuito en paralelo

2.5.4 Restricción de flujo en un circuito en paralelo

En un sistema con circuitos en paralelo, el flujo de aceite de la bomba de aceite sigue el paso de menor resistencia. En la figura 2.1.11, la bomba suministra aceite a los tres circuitos montados en paralelo. El circuito número tres tiene la menor prioridad y el circuito número uno la mayor prioridad. Cuando el flujo de aceite de la bomba llena el conducto ubicado a la izquierda de las tres válvulas, la presión de aceite de la bomba alcanza 207 kPa (30 lb/pulg2).

La presión de aceite de la bomba abre la válvula al circuito uno y el aceite fluye en el circuito. Una vez lleno el circuito uno, la presión de aceite de la bomba comienza a aumentar. La presión de aceite de la bomba alcanza 414 kPa (60 lb/pulg2) y abre la válvula del circuito dos. La presión de aceite de la bomba no puede continuar aumentando sino hasta cuando el circuito dos esté lleno. Para abrir la válvula del circuito tres, la presión de aceite de la bomba debe exceder los 620 kPa (90 lb/pulg2). Para limitar la presión máxima del sistema, debe haber una válvula de alivio del sistema en uno de los circuitos o en la bomba.