Asignaturas:
- Cilindro hidráulico
- Calcular el volumen sistólico
- Calcular la presión del sistema
- Calcular el flujo volumétrico
- Calcular potencia
Cilindro hidráulico:
Un cilindro hidráulico consta de una carcasa que contiene un pistón y un vástago. Su funcionamiento se basa en la Ley de Pascal, que ya ha sido descrita. El fluido hidráulico se bombea al cilindro por un lado, lo que hace que el pistón realice un movimiento rectilíneo. El cilindro hidráulico puede transmitir fuerzas muy elevadas. La siguiente figura muestra las tres situaciones de un cilindro de doble efecto:
- R: El pistón con el vástago del pistón están en la posición más a la izquierda.
- B: el fluido hidráulico se suministra a través de la conexión izquierda del cilindro. El fluido empuja el pistón hacia la derecha. El líquido del lado derecho del pistón se drena al cilindro a través de la conexión derecha.
- C: el pistón está en la posición más a la derecha.
En el lado del vástago del pistón (a la derecha en la imagen de arriba), el área de superficie donde el fluido hidráulico presiona contra el pistón es menor.
La siguiente imagen muestra el mecanismo de una excavadora. La combinación de bisagras, palancas y cilindros hidráulicos operados por separado garantiza que la cuchara de la excavadora sea muy maniobrable. Los cilindros son del tipo de doble efecto: al cambiar la dirección del fluido hacia y desde el cilindro, el pistón se mueve en la otra dirección.
Además de los cilindros de doble efecto, también existen:
- Cilindro de simple efecto: este tipo de cilindro contiene una conexión hidráulica. Un resorte detrás del pistón proporciona la carrera de retorno.
- Cilindro con amortiguación hidráulica: el movimiento del pistón se frena al final de la carrera.
- Cilindro telescópico: varios cilindros juntos crean una gran longitud de trabajo cuando están extendidos. Cuando está retraído, el espacio de instalación es relativamente pequeño gracias al diseño telescópico.
Calcular el volumen sistólico:
Debido a los diferentes diseños de los cilindros, sus aplicaciones son versátiles: cuando el vástago del pistón tiene que ejercer mucha fuerza, el diámetro del vástago del pistón es mayor, al igual que el pistón, el cilindro y el volumen de fluido en el cilindro. Las dimensiones dependen del lugar de instalación y de la aplicación para la que se utiliza el cilindro. Nos encontramos con las siguientes dimensiones:
- diámetro del pistón (D)
- diámetro de la varilla (d)
- carrera del pistón(es)
La siguiente imagen muestra un cilindro que contiene el pistón con vástago. La explicación de las abreviaturas se muestra junto a la imagen.
Declaración:
- D = diámetro del pistón
- d = diámetro de la varilla
- s = carrera
- Az = área del pistón
- Ar = área del anillo
- Ast = área de la varilla
- Vz = volumen del lado del pistón
- Vr = volumen lateral de la varilla
Con las dimensiones del pistón y del cilindro podemos calcular el volumen barrido en el lado del pistón (Vz). Para ello necesitamos la superficie del pistón (Az) y multiplicamos este número por la carrera. Cuando se desconoce Az, podemos calcular el área con la siguiente fórmula:
Para determinar la fórmula de la carrera en el lado derecho del pistón, debemos restar el área del vástago del pistón. Surge la siguiente fórmula:
Con estas fórmulas calcularemos el volumen barrido del cilindro a continuación.
Introducimos en la fórmula los datos para calcular el volumen barrido en el lado del pistón en estado completamente extendido. La respuesta final es en metros cúbicos porque es un volumen. Convertimos la última respuesta a notación científica.
Luego ingresamos los datos en el lado del vástago para calcular cuál es el volumen de fluido allí con un pistón completamente retraído. Terminamos con un volumen de líquido menor, porque este espacio lo ocupa el vástago del pistón. También convertimos esta respuesta a notación científica.
En cilindros con vástago continuo del mismo diámetro, determinar el caudal de fluido es más fácil: el caudal de entrada es igual al volumen de salida.
Calcule la presión del sistema:
La presión en el cilindro para empujar el pistón hacia la derecha prevalece sobre la superficie del pistón Az. Podemos calcular esta presión si conocemos la fuerza que ejerce el pistón sobre el objeto que hay que mover. Esta fuerza es de 10 kN (10.000 N). Por conveniencia, utilizamos los datos restantes de pistones y cilindros de la sección anterior.
Calculamos la presión en el cilindro con la siguiente fórmula. Se conoce la fuerza F (10.000 N), pero aún se desconoce la superficie del pistón.
Entonces primero calculamos el área de superficie del pistón:
Ahora que conocemos la superficie del pistón, podemos calcular la presión:
Al dividir F (Newton) por A (metro cuadrado) obtenemos la respuesta en Newton por metro cuadrado [N/m²]. Esto es igual a Pascal, porque 1 Pa = 1 N/m².
Dividiendo el número de Pascales por 100.000 obtenemos el número de barras. Vemos esto en la respuesta a la fórmula anterior.
Calcular el flujo volumétrico:
Podemos calcular el caudal volumétrico dividiendo los datos ya conocidos por el tiempo en el que el pistón realiza la(s) carrera(s) completa(s). Este tiempo (t) lo fijamos en 5 segundos.
Calculamos el caudal volumétrico con la siguiente fórmula:
Calcular potencia:
Finalmente, podemos calcular la potencia necesaria para mover el cilindro de izquierda a derecha. Para ello multiplicamos la presión del sistema por el caudal volumétrico. El cálculo se muestra a continuación.
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