Cómo Funcionan Las Máquinas Hidráulicas

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Las máquinas hidráulicas hacen la mayor parte del transporte pesado y el levantamiento en la mayoría de los proyectos de construcción. Aprenda sobre máquinas hidráulicas y tipos de máquinas hidráulicas.

-Desde los separadores de troncos del patio trasero hasta las enormes máquinas que se ven en los sitios de construcción, el equipo hidráulico es asombroso en su fuerza y ​​agilidad. En cualquier sitio de construcción usted ve maquinaria operada hidráulicamente en forma de bulldozers, retroexcavadoras, palas, cargadoras, montacargas y grúas.

El sistema hidráulico opera las superficies de control en cualquier avión grande. Usted ve la hidráulica en los centros de servicio de automóviles que levantan los automóviles para que los mecánicos puedan trabajar debajo de ellos, y muchos ascensores funcionan hidráulicamente utilizando la misma técnica. ¡Incluso los frenos de tu auto usan hidráulica!

En este artículo, aprenderá sobre los principios básicos que los sistemas hidráulicos utilizan para hacer su trabajo, y luego examinaremos varias piezas diferentes de maquinaria hidráulica que se encuentran en un sitio de construcción. Se sorprenderá de la potencia y la versatilidad disponibles con el sistema hidráulico.

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La idea basica

La idea básica detrás de cualquier sistema hidráulico es muy simple: La fuerza que se aplica en un punto se transmite a otro punto utilizando un fluido incompresible. El fluido es casi siempre un aceite de algún tipo. La fuerza casi siempre se multiplica en el proceso. La siguiente imagen muestra el sistema hidráulico más simple posible:

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Un sistema hidráulico simple que consta de dos pistones y una tubería llena de aceite que los conecta. Haga clic en la flecha roja para ver la animación.

En este dibujo, dos pistones (rojos) encajan en dos cilindros de vidrio llenos de aceite (azul claro) y conectados entre sí con un tubo lleno de aceite. Si aplica una fuerza hacia abajo a un pistón (el izquierdo en este dibujo), entonces la fuerza se transmite al segundo pistón a través del aceite en la tubería. Dado que el aceite es incompresible, la eficiencia es muy buena: casi toda la fuerza aplicada aparece en el segundo pistón. Lo mejor de los sistemas hidráulicos es que la tubería que conecta los dos cilindros puede tener cualquier longitud y forma, lo que le permite serpentear a través de todo tipo de cosas que separan los dos pistones. El tubo también puede bifurcarse, de modo que uno cilindro maestro puede conducir más de uno esclavo cilindro si lo desea.

Lo bueno de los sistemas hidráulicos es que es muy fácil agregar multiplicación de fuerza (o división) al sistema. Si ha leído Cómo funciona un bloque y Tackle o Cómo funciona Gears, entonces sabe que fuerza comercial por la distancia Es muy común en los sistemas mecánicos. En un sistema hidráulico, todo lo que hace es cambiar el tamaño de un pistón y un cilindro en relación con el otro, como se muestra aquí:

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Multiplicación hidráulica. El pistón de la derecha tiene un área de superficie nueve veces mayor que el pistón de la izquierda. Cuando se aplica fuerza al pistón izquierdo, moverá nueve unidades por cada unidad que mueva el pistón derecho, y la fuerza se multiplica por nueve en el pistón de la derecha. Haga clic en la flecha roja para ver la animación.

Para determinar el factor de multiplicación, comience mirando el tamaño de los pistones. Suponga que el pistón de la izquierda tiene 2 pulgadas de diámetro (radio de 1 pulgada), mientras que el pistón de la derecha tiene 6 pulgadas de diámetro (radio de 3 pulgadas). El área de los dos pistones es Pi * r2. Por lo tanto, el área del pistón izquierdo es 3.14, mientras que el área del pistón a la derecha es 28.26. El pistón de la derecha es 9 veces más grande que el pistón de la izquierda. Lo que eso significa es que cualquier fuerza aplicada al pistón de la izquierda aparecerá 9 veces mayor en el pistón de la derecha. Entonces, si aplica una fuerza descendente de 100 libras al pistón izquierdo, aparecerá una fuerza ascendente de 900 libras a la derecha. El único problema es que tendrá que presionar el pistón izquierdo 9 pulgadas para elevar el pistón derecho 1 pulgada.

Los frenos de su automóvil son un buen ejemplo de un sistema hidráulico básico accionado por pistón. Cuando pisa el pedal del freno en su automóvil, está empujando el pistón en el cilindro maestro del freno. Cuatro pistones esclavos, uno en cada rueda, se accionan para presionar las pastillas de freno contra el rotor del freno para detener el automóvil. (En realidad, en casi todos los automóviles en la carretera, hoy en día, dos cilindros maestros están impulsando dos cilindros esclavos cada uno. De esa manera, si uno de los cilindros maestros tiene un problema o tiene una fuga, aún puede detener el automóvil).

En la mayoría de los otros sistemas hidráulicos, los cilindros hidráulicos y los pistones están conectados a través de válvulas a una bomba que suministra aceite a alta presión. Aprenderás sobre estos sistemas en las siguientes secciones.

Aire en el Sistema

Es importante que un sistema hidráulico no contenga burbujas de aire. Es posible que haya oído hablar de la necesidad de "purgar el aire de las líneas de los frenos" de su automóvil. Si hay una burbuja de aire en el sistema, entonces la fuerza aplicada al primer pistón se usa para comprimir el aire de la burbuja en lugar de mover el segundo pistón, lo que tiene un gran efecto en la eficiencia del sistema.

Cómo funcionan los partidores de troncos

Aquí se muestran los componentes principales de un divisor de registro.

Aquí se muestran los componentes principales de un divisor de registro.

Cómo funcionan las máquinas hidráulicas: cómo

El dispositivo hidráulico más simple que se encuentra en uso común hoy en día es el partidor de troncos. Contiene todos los componentes básicos de una máquina hidráulica:

  • Un motorNormalmente, un pequeño motor de gasolina de cuatro tiempos proporciona la potencia para el sistema. El motor está conectado a una bomba de aceite hidráulico.
  • los bomba de aceite hidráulico crea una corriente de aceite a alta presión, que corre a una válvula.
  • los válvula permite al operador accionar el Cilindro hidráulico para dividir un registro.
  • También hay una tanque para sostener el aceite hidráulico que alimenta la bomba y generalmente un filtrar Para mantener el aceite limpio.

En sección transversal, las partes hidráulicas importantes del divisor se ven así:

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El aceite a alta presión de la bomba se muestra en azul claro, y el aceite a baja presión que regresa al tanque se muestra en amarillo. Haga clic en el botón para activar el pistón!

En la figura anterior puede ver cómo la válvula puede aplicar presión hacia adelante y hacia atrás al pistón. La válvula utilizada aquí, por cierto, se conoce como una "válvula de carrete" debido a su parecido con un carrete de un carrete de hilo.

Veamos algunos de los detalles de estos componentes para ver cómo funciona un sistema hidráulico real. Si realiza un viaje a su centro de suministros de construcción local o un lugar como Northern Tool and Equipment y observa los separadores de troncos, encontrará que un partidor de troncos típico del patio trasero tiene:

  • Un motor de gasolina de 5 caballos de fuerza.
  • Una bomba de aceite hidráulico de dos etapas con una capacidad máxima de 11 galones por minuto (3 gpm a 2,500 psi)
  • Un cilindro hidráulico de 4 pulgadas de diámetro y 24 pulgadas de largo
  • Una fuerza de corte nominal de 20 toneladas.
  • Un tanque de aceite hidráulico de 3.5 galones

UNA bomba de dos etapas es un ingenioso ahorro de tiempo. La bomba en realidad contiene dos secciones de bombeo y una válvula de detección de presión interna que corta entre las dos. Una sección de la bomba genera el caudal máximo de gpm a una presión más baja. Se utiliza, por ejemplo, para extraer el pistón de un registro después de que el registro se haya dividido. Retraer el pistón hacia el cilindro requiere muy poca fuerza y ​​desea que suceda rápidamente, por lo que desea el mayor caudal posible a baja presión. Sin embargo, al empujar el pistón en un tronco, se desea la mayor presión posible para generar la máxima fuerza de división. La tasa de flujo no es una gran preocupación, por lo que la bomba cambia a su etapa de "alta presión, menor volumen" para dividir el registro.

Veremos las bombas hidráulicas en la siguiente sección.

Bombas hidraulicas

Una cosa que puede ver es que la "fuerza de división de 20 toneladas" anunciada es generosa. Un pistón de 4 pulgadas tiene un área de 12.56 pulgadas cuadradas. Si la bomba genera una presión máxima de 3,000 libras por pulgada cuadrada (psi), la presión total disponible es de 37,680 libras, o aproximadamente 2,320 libras menos de 20 toneladas. Oh bien…

Otra cosa que puedes determinar es el tiempo de ciclo del pistón. Para mover un pistón de 4 pulgadas de diámetro 24 pulgadas, necesita 3.14 * 22 * 24 = 301 pulgadas cúbicas de aceite. Un galón de aceite es de aproximadamente 231 pulgadas cúbicas, por lo que debe bombear casi 1.5 galones de aceite para mover el pistón 24 pulgadas en una dirección. Eso es una buena cantidad de aceite para bombear. ¡Piense en eso la próxima vez que vea cuán rápido puede moverse una retroexcavadora hidráulica o un patín / cargador! En nuestro partidor de troncos, el caudal máximo es de 11 galones por minuto. Eso significa que tardará unos 10 segundos en extraer el pistón después de dividir el tronco, y puede llevar casi 30 segundos empujar el pistón a través de un tronco resistente (porque el caudal es más bajo a altas presiones).

En esta discusión puede ver que solo para llenar el cilindro con aceite, necesita al menos 1.5 galones de aceite hidráulico en el sistema. También puede ver que un lado del cilindro tiene una capacidad mayor que el otro lado, porque un lado tiene el eje del pistón ocupando espacio y el otro no. Por lo tanto, las grandes máquinas hidráulicas suelen tener:

  • Grandes apetitos por el aceite hidráulico. (100 galones no es infrecuente si hay seis u ocho cilindros hidráulicos grandes utilizados para operar la máquina).
  • Grandes depósitos externos. para mantener la diferencia en el volumen de aceite desplazado por los dos lados de cualquier cilindro

Ahora que comprende los conceptos básicos de un sistema hidráulico simple, ¡podemos observar algunos equipos realmente interesantes!

Grandes máquinas hidráulicas

Cómo funcionan las máquinas hidráulicas: funcionan

Uno de los mejores lugares para acercarse a las grandes máquinas hidráulicas es en un sitio de construcción. Lo más sorprendente de estas máquinas es su gran tamaño. Por ejemplo, aquí hay una pala / excavadora de tamaño mediano:

Cómo funcionan las máquinas hidráulicas: cómo

Esta máquina pesa un poco más de 28 toneladas, pero puede ser bastante rápida en sus acciones. La cubeta puede sacar más de un metro cúbico de tierra, que pesa aproximadamente de 1 a 1.5 toneladas, y moverla sin dificultad. Mover a una persona es trivial.

Para tener este tipo de agilidad, esta pala particular usa un motor diesel de 8.3 litros capaz de generar 340 caballos de fuerza. El motor está conectado a un par de bombas que pueden generar 140 galones por minuto a 4,500 psi. Los pistones hidráulicos tienen caras de 5.5 pulgadas de diámetro con ejes de 4 pulgadas de diámetro. Además, hay un motor hidráulico para cada pista y un motor hidráulico que puede girar la cabina y el brazo a 11 rpm.

En la imagen se puede ver que el brazo tiene un par de pistones trabajando al unísono en el "hombro", uno en el "codo" y luego uno para rotar el cucharón. Estos pistones, junto con los dos motores de cadena y el motor giratorio, están controlados por dos joystick y cuatro pedales en la cabina.

Estos controles envían señales eléctricas a un bloque de válvulas de funcionamiento eléctrico ubicado junto a la bomba.

Desde el bloque de válvulas, las líneas hidráulicas de alta presión se dirigen hacia los cilindros.

Cómo funcionan las máquinas hidráulicas: funcionan

Pistas

Las pistas son interesantes. Si observa las pistas en cualquier pieza de maquinaria grande, encontrará que hay una Motor hidraulico en un extremo, un rueda dentada de giro libre en el otro, y luego un conjunto de rodillos para que la pista se mueva.

Pala

Aquí están las especificaciones para el Pala Halla HE280LC:

General

  • Peso: 28.2 toneladas
  • Longitud: 10,6 metros.
  • Ancho: 3,2 metros
  • Altura: 3,3 metros.
  • Distancia al suelo: 0,5 metros
  • Ancho del cubo: 1,3 metros.
  • Capacidad del cucharón: 1.1 metros cúbicos.

Rango de trabajo

  • Profundidad de excavación: 7,5 metros.
  • Profundidad de excavación vertical: 5,7 metros.
  • Alcance: 10 metros.

Conducción

  • Velocidad máxima de desplazamiento: 4.9 km / hr.
  • Fuerza máxima de tracción: 25,143 kgf.
  • Velocidad de giro: 11 rpm
  • Fuerza máxima de excavación: Cucharón: 18 toneladas; Stick: 14 toneladas
  • Presión al suelo: 7.7 psi

Motor

  • Cummins 6CT 8.3-C
  • 8,270 centímetros cúbicos
  • 340 caballos de fuerza a 1,900 rpm

Bomba

  • Presión máxima: 5,000 psi (4,500 psi típico)
  • Flujo de aceite: 2x270 litros por minuto.

Capacidades

  • Combustible: 530 litros
  • Aceite de motor: 22 litros.
  • Aceite hidráulico: 320 litros.

Patines / cargadores

Cómo funcionan las máquinas hidráulicas: hidráulicas

Otra pieza común del equipo en cualquier sitio de construcción es el patín / cargador (también conocido genéricamente como "Bobcat" porque ese fue el nombre dado por el fabricante que los produjo por primera vez):

Los patines / cargadores tienen tres pares de pistones:

  • El primer par levanta y baja el cubo.
  • El segundo par gira el cubo para volcar su contenido.
  • El tercer par divide el cubo para que pueda usarlo para agarrar y recoger cosas (como los registros).

También hay motores hidráulicos en las cuatro ruedas.

Camion de basura

Cómo funcionan las máquinas hidráulicas: funcionan

Un camión volquete no es mucho más complicado que el partidor de troncos que vimos anteriormente. Los camiones volquete suelen tener un cilindro o un par de cilindros que levantan la plataforma. Lo único único de estos cilindros es que a menudo telescopio, dándoles un rango de movimiento muy largo.

Videos de máquinas hidráulicas en acción

Estos videos cortos le muestran tres piezas diferentes de equipos hidráulicos en funcionamiento.

  • Excavadora hidráulica en funcionamiento: muestra el funcionamiento general del brazo y la cabina
  • Cilindro del excavador y vástago del pistón en funcionamiento: Cierre del cilindro y vástago del pistón
  • Pequeño skid / loader en operación: muestra otro sistema hidráulico muy ágil
  • Camión volquete en operación: muestra un camión volquete descargando una carga


Suplemento De Vídeo: ¿CÓMO FUNCIONA LA TECNOLOGÍA HIDRÁULICA? PISTONES,.




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