MOTORES HIDRAULICOS.docx

8/12/2019 MOTORES HIDRAULICOS.docx

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INTRODUCCION

Es difcil tratar de imaginarse la vida moderna sin la existencia de los motores, stos seencuentran en todas partes. Para cualquier lado que volteemos podemos encontrar unamquina que funcione con un motor. En nuestra vida diaria ya estamos acostumbrados a

escuchar acerca de un tipo de motor en particular: los motores hidrulicos.Desde la antigedad los procesos hidrulicos han sido utilizados ampliamente en aplicacionesdonde se requiere de altas potencias, como la industria del transporte, construccin, carga,manufactura, recreacin, entre otros. Esto se debe a su principal ventaja la cual es transmitirfuerzas elevadas con ayuda de elementos de dimensiones reducidas, con lo cual se obtieneuna relacin potencia-peso mucho mayor que los sistemas neumticos y elctricos.

La energa hidrulica se basa en aprovechar la cada del agua desde cierta altura, entonceslos motores hidrulicos transforman la energa hidrulica en torque y como resultado enfuerza; en los motores hidrulicos el movimiento rotatorio es generado por la presin.

Los motores hidrulicos pueden llegar a generar mayores ventajas para la industria, que otraclase de motores, es en esto que radica la importancia del conocimiento acerca de sufuncionamiento, clasificacin, importancia y aplicacin; ya que para nosotros futurosingenieros petroleros, es de vital importancia conocer y entender estos aspectos a fin demejorar y optimizar los trabajos que se requieren en la industria del petrleo. Es entonces coneste fin que presentamos el presente trabajo, dndoles a conocer con mayor profundidad losaspectos ya mencionados.

Evolucin HistricaLos motores hidrulicos son los ms antiguos conocidos (Hern de Alejandra, S. I a.c.),utilizaban como fuerza motriz la energa de una masa de agua que cae desde cierta altura,llamada salto. Esta energa se transforma en trabajo til disponible en el eje de la mquina,entonces denominada rueda hidrulica, actualmente conocida como turbina.

Sus orgenes se centran, coincidiendo los estudiosos ms comprometidos con el tema, en elMediterrneo oriental. Se citan ruedas elevadoras en el ro Nilo. Se conoce que Siria tenaruedas hidrulicas en la poca Imperial.

Es bien conocido, que los motores hidrulicos estaban ampliamente divulgados en la Europamedieval. La rueda hidrulica serva como base principal de la energtica de la produccinmedieval incluso hasta el s. XVIII.

En Inglaterra, por ejemplo, existan 5.000 molinos hidrulicos. Pero la rueda hidrulica no seaplicaba slo en los molinos; poco a poco se comenz a utilizarla tambin para elaccionamiento del martillo en los talleres de forja, de los cabrestantes, las trituradoras, losfuelles de forja, mquinas herramienta, sierras mltiples, etc. No obstante, la energtica


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hidrulica estaba ligada a determinados lugares de los ros y se requera un motor quepudiera funcionar en cualquier lugar. Por esta razn, se requera un motor hidrulico que nodependiera del ro. Lo cual era un problema, que con el paso del tiempo fue solucionndose.

Un ejemplo clsico de un motor hidrulico:

Motor hidrulico tipo

Un modelo ms desarrollado de motor hidrulico es el utilizado para fines prcticos, cogido dellibro de G. Becker Nuevo teatro de mquinas editado en Nuremberg en 1661.

Motor hidrulico para el accionamiento de una piedra de afilar

Este motor, destinado para hacer girar una piedra de afilar, fue propuesto por el italianoJacobo de Strada en el ao 1575. Del depsito de agua inferior S la bomba helicoidal O conun pin que se pone en movimiento con ayuda de la rueda dentada R, trasiega el agua a labandeja superior. De aqu el agua se vierte a la rueda C, la cual, por intermedio del rbol D,pone en movimiento la piedra de afilar. Por intermedio de un sistema complejo detransmisiones (tornillo sin fin y las ruedas dentadas E, G, L y R) la rueda C pone tambin enmovimiento la bomba O. Para la uniformidad del movimiento en el rbol vertical se haestablecido el volante K. El autor est tan convencido de que al flujo A el agua se suministracon exceso y que bastar para todas las necesidades, que por el tubo P vierte parte de lamisma para humectar la piedra de afilar, a la cual trabaja el afilador. Aqu se ha hecho todo loque puede ser previsto por un constructor experimentado.


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Pero, esta mquina llamada arte de giro y rotacin con doble transmisin, tiene un defecto:la bomba nunca podr elevar tanta agua, como necesita la rueda de trabajo. Un proceso parasuperar esta dificultad, consista en obligar al agua a elevarse (y verterse) en menor diferenciade alturas. Para ello se prevea un sistema en cascada de varias bombas y ruedas de trabajounidas en serie. Una mquina con estas caractersticas fue descrita en el libro de 3. Wilkins.

Motor hidrulico en cascada triescalonado con un tornillo de Arqumedes

La elevacin del agua se realiza por medio de una bomba de hlice, compuesta por el tuboinclinado AB, en el cual gira el rotor LM, mostrado ms abajo aparte. Este se pone enmovimiento por tres ruedas de trabajo H, 1 y K, sobre las cuales el agua se suministra desdetres vaso s dispuestos en cascada E, F y G.

En la valoracin de este motor Wilkins, no slo rechaz este motor por razonamientosgenerales, sino que incluso calcul que para la rotacin de la espiral se requiere tres vecesms agua, que la que ella suministra hacia arriba. Wilkins al igual que muchos de suscontemporneos, comenz a dedicarse a la mecnica e hidrulica con la tentativa de inventarel mvil perpetuo.

Entre otros motores hidrulicos cabe sealar la mquina del jesuita polaco Stanislav Solski,quien para poner en movimiento la rueda de trabajo haca uso de un cubo con agua. En elpunto superior la bomba llenaba el cubo, ste descenda, girando la rueda, en el punto inferiorel cubo se volcaba y vaco suba; luego el proceso se repeta. Cuando el padre demostr estamquina en Varsovia (1661) al rey Casimiro le gust mucho. No obstante, se demostr quelos motores hidrulicos del sistema bomba - rueda hidrulica en la prctica no funcionaban.

Era necesario que se pudiese elevar el agua desde el nivel inferior al superior sin el gasto detrabajo, sin emplear la bomba mecnica. Y semejantes ideas aparecieron, tanto a base de lautilizacin de los fenmenos ya conocidos, como en relacin con los nuevos descubrimientosfsicos.


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Desde mediados del siglo XIX, y con los avances de la tcnica, que permitieron crear motoreshidrulicos ms potentes, que pudieran aprovechar mayores alturas y/o caudales. Aparece laturbina, en la que la energa potencial del agua se transforma previamente en energa cinticaque luego es cedida al rodete.

Una mayor velocidad del agua a su paso por la maquina reduce las secciones por lo que sepuede producir potencias importantes con dimensiones relativamente pequeas de lamaquina.

SISTEMA HIDRULICO

Los sistemas hidrulicos reciben energa mecnica (generalmente con alta velocidad y bajafuerza y torque) y la convierten en energa de fluido y luego nuevamente la transforman enenerga mecnica (generalmente con baja velocidad pero alta fuerza o torque).Estos logranser simples o complejos. Consiguen operar a altas temperaturas (por ejem. 60C, 140F), yciclos rpidos.

Partes del Sistema Hidrulico

El sistema hidrulico tiene tres partes: sistema de conversin de energa mecnica en energade fluido, control de presin y caudal y actuador. En estas tres partes encontramosfrecuentemente a los siguientes elementos: Un recipiente, un filtro, una bomba, vlvulas decontrol de flujo y un cilindro o actuador.

El fluido hidrulico lleva a cabo en el sistema cuatro funciones simples:

T ransmitir potencia

Lubricar la bomba, vlvulas y sellos

Proteger el sistema removiendo contaminantes (humedad, suciedad,

calor, aire)

Sellar con los componentes internos.


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Los sistemas hidrulicos pueden ser hidrostticos o hidrodinmicos dependiendo de laestabilidad o movimiento del fluido, considerando la variacin de energa de velocidad encomparacin con la energa de presin.

Clases de Sistemas Hidrulicos

Sistemas hidrostticos: Son aquellas que convierten la energa mecnica que recibenprincipalmente a energa de presin la misma que predomina en comparacin a laenerga de velocidad manteniendo al fluido en reposo.

Para que el sistema sea hidrosttico se considera:

La presin en un fluido es igual a la intensidad de la fuerza aplicada sobre un rea.En un recipiente cerrado la presin se transmite igual y en todos los sentidos

Sistemas hidrodinmicos: convierten la energa mecnica que reciben en energa develocidad la misma que predomina sobre la energa de la presin creando unmovimiento del fluido siendo esta la que genera el movimiento y energa a determinadosistema.

Los principios bsicos que rigen el comportamiento de los fluidos en movimiento son:

Conservacin de la masa y


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conservacin de la energa

Definicin y Alcances del Motor Hidrulico.

Una mquina es un transformador de energa y estas se clasifican en grupos: mquinas de

fluidos, mquinas -herramienta-, mquinas elctricas, etc.Las mquinas hidrulicas pertenecen a un grupo muy importante de mquinas que sedenominan mquinas de fluido. Estas son aquellas, en las que el fluido, o bien proporciona laenerga que absorbe la mquina o bien aquellas en que el fluido es el receptor de energa, alque la mquina restituye la energa mecnica absorbida.

Ahora bien, un motor hidrulico, es una mquina hidrosttica, que al ser accionada por unfluido, transforma la energa hidrulica en energa mecnica rotativa y que se toma del eje delpropio motor. Su construccin se parece mucho a la de las bombas. En vez de suministrarfluido como lo hace la bomba, son impulsados por esta y desarrollan un movimiento de

rotacin, transformando la energa hidrulica en torque, obteniendo as la Fuerza.

CARACTERSTICAS DE LOS MOTORES HIDRULICOS

Todos los motores hidrulicos poseen varias caractersticas en comn que pueden ser:

Cada tipo debe tener una superficie sometida a presin diferencial. En los motorespaleta y de engranajes esta superficie es rectangular. En los motores de pistones lasuperficie es circular.

Figura 1. Motor de pistones axiales

En cada diseo la presin aplicada al rea, debe estar conectada mecnicamente a uneje que aplica energa mecnica al equipo accionado por el motor.


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La aplicacin del fluido bajo presin a esta superficie, debe fluir de forma proporcionalen cada tipo de motor hidrulico para poder mantener una rotacin continua.

El funcionamiento ptimo del motor vara en cada tipo de diseo por la capacidad de soportarpresiones y grandes fuerzas, caudal, par, velocidad, entre otros. Ahora mencionaremosalgunos conceptos y caractersticas para entender mejor:

Torque (par motor): Dos fuerzas de la mismaintensidad de direccin contraria, capaces deproducir un trabajo en forma de giro. Es unamagnitud fsica que nos sirve para darnos ideade cmo evoluciona la fuerza de un motor.

Torque mximo: La mayor fuerza que puede

hacer el motor en un giro.Figura 2. Un par de fuerzas produce un movimiento de rotacin.

Revolucin: Revolucin por minuto (RPM), es una unidad de frecuencia que se usa tambinpara expresar el nmero de rotaciones completadas cada minuto por un cuerpo que giraalrededor de un eje.

Figura 3. Revoluciones por minuto.

Efi ci enc ia vo lu m tr ica : Se refiere al porcentaje real del flujo de lquido hacia afuera de labomba en comparacin con el flujo hacia afuera de la bomba menos las fugas.


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Diferencia de presin : Es la prdida de presin que se genera en un sistema. Si no haydiferencia de presin entre dos puntos, no podr haber circulacin del fluido.

Desplazamiento: Cantidad de fluido requerida por el motor para que su eje gire unarevolucin. Este se expresa en volumen (pulgadas cbicas por revolucin o centmetroscbicos por revolucin).El desplazamiento de los motores hidrulicos puede ser fijo o variable para un mismo caudalde entrada y presin de trabajo constantes.

El motor de desplazamiento fijo suministra un par constante (torque constante) avelocidad constante.

Bajo las mismas condiciones, el motor de desplazamiento variable proporciona un parvariable (torque variable) a velocidad variable.

Velocidad: Depende del desplazamiento y del volumen del fluido que se suministra.

Velocidad mxima: Velocidad a una presin de entrada especfica que el motor puedemantener durante un tiempo limitado sin daarse. La velocidad mnima: Velocidad de rotacin suave, continua y ms baja de su eje.

El motor hidrulico debe ser operado dentro de sus rangos de eficiencia.

Ecuaciones

Ecuacin Sist. Internacional Sist. Ingls

Desplazamiento

Velocidad delmotor (RPM)

Eficienciavolumtrica (%)

Torque o par


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Potencia

FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR HIDRULICODe manera general, el funcionamiento de un sistema hidrulico est basado en la Ley dePascal: La presin ejercida en un lquido, contenido en u n recipiente cerrado, se transmitentegramente en todas las direcciones y acta con igual fuerza en todas las reas.

Figura 4. Sistema Hidrulico basado en la relacin entre Presin, Fuerza y rea.

Los motores hidrulicos trabajan tomando la presin de un lquido, frecuentemente uncombustible, y convertirlo en torque mecnico.

Un motor hidrulico no trabaja por s solo; debe funcionar junto con un sistema de circuitocerrado. Los elementos necesarios son una bomba que administre la presin, un depsitopara el fluido (en donde el ms comn es el combustible) y tubera que conecte todos lossistemas.

Figura 5. Funcionamiento del motor hidrulico.


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Los motores hidrulicos tienen diferentes ventajas sobre los motores elctricos. Pueden seruni o bidireccionales. Son instantneamente reversibles y pueden absorber diferenteschoques de carga sin daar el motor. Son ms pequeos que los motores elctricos yresponden ms rpido. Los motores hidrulicos pueden sobrecargarse y detenerse sindaarse, debido al exceso de presin que es desviado sobre la vlvula de alivio.

CLASES DE MOTORES HIDRULICOS

En Los motores hidrulicos pueden clasificarse segn su aplicacin, en tres categoras:

Motores de velocidad elevada y par bajo (HSLT)Motores de baja velocidad y par elevado (LSHT)Motores de rotacin limitada (Generadores de par)

Motores HSLT. (High Speed, Low Torque) motores de alta velocidad y bajo torque puedenutilizarse en aplicaciones cuando se requiere que funcione continuamente a velocidadesrelativamente elevadas. Como ejemplos, ventiladores, accionamiento de generadores ycompresores. Mientras que la velocidad es elevada y relativamente constante, la carga puedeser fija, como en ventiladores, o completamente variable como en compresores ygeneradores. Los motores HSLT son excelentes para este tipo de aplicaciones. Los cuatrotipos mayormente utilizados son los motores de pistones en lnea y en ngulo, los de paletas ylos engranajes.

Motores LSHT. (Low speed, High Torque) Motores de baja velocidad y alto torque, puedenutilizarse en algunas aplicaciones, cuando el motor debe mover cargas relativamenteelevadas a velocidades bajas y a un par sensiblemente constante. Algunos de ellos funcionansuavemente hasta una o dos rpm y son de diseo sencillo con un nmero mnimo de piezas,completamente fiables y generalmente de menos costo que los motores de velocidadelevadas utilizados con dispositivos de reduccin de la velocidad.

Idealmente, los motores LSHT deben tener rendimiento elevado con relacin a sus pares dearranque y funcionamiento, y buenos rendimientos volumtricos y mecnicos.

Deben arrancar suavemente bajo carga total y suministrar el par total en todo el intervalo defuncionamiento. Estos motores deben presentar poco o ninguna cada de par a la salida entodo el intervalo de funcionamiento, y la variacin de velocidad con relacin a la velocidad

media, a presin constante, debe ser mnima.Los diseos bsicos de los motores LSHT son los motores de engranajes internos, paletas,una paleta giratoria, pistones radiales y pistones axiales, en lnea y en ngulo

TIPOS DE MOTORES HIDRULICOS


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En las aplicaciones industriales, se utilizan una variedad de motores hidrulicos. El tipo demotor utilizado depende de los requerimientos de cada aplicacin individual. La siguiente esun listado de los tipos de motores:

1. Motores de engranajes los motores de engranajes externos e internos (gerotor u

orbital).2. Motores de paletas Motores de tipos equilibrados y desequilibrados hidrulicamente,

fijos, variables, y de cartucho (funcionamiento elevado).3. Motores de pistones Motores en lnea, en ngulo y radiales.

Motor Hidrulico de Engranajes

El motor de engranajes es el ms usado. Es un motor simple, fiable, relativamente barato y elmenos sensible a la suciedad. El sentido de la rotacin est determinado por la direccin delflujo de aceite. La presin en el lado de presin depende de la carga (torque) en el eje del

motor. Consta de dos engranes enlazados dentro de la cubierta del motor. Un engrane est unido ala cubierta del motor.

Figura 6. Motor de engranajes.

FUNCIONAMIENTO

Cuando el aceite presurizado es bombeado en el orificio de entrada, la presin acta sobre elrea de la superficie del diente del engrane y los engranes son forzados a girar.


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Figura 7. Funcionamiento del motor hidrulico de engranajes.

CARACTERISTICAS DE FUNCIONAMIENTO

Revoluciones: 500-3500 rpmPresin


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Consta de un motor ranurado conectado al eje. Las ranuras contienen paletas que estn librespara deslizarse. Cuando el aceite presurizado es bombeado en el orificio de entrada, lapresin acta en las paletas y el rotor es forzado a girar.

CARACTERISTICAS DE FUNCIONAMIENTO

Buen comportamiento a bajas velocidades.Revoluciones: 10-1500 rpmPresin: 150 baresGiro bastante uniforme y continuadoSilenciosos

Motores Hidrulicos de pistn

Son los ms empleados de todos ya que se consiguen las mayores potencias trabajando aaltas presiones. Son menos simples que los otros tipos de motores y por eso mismo sontambin ms complicados y costosos en su mantencin.

Admiten mayores presiones de trabajoVelocidades: 50-2000 rpmPresiones: 100-500 bares

A bajas presiones y altas presiones: golpeteos

En funcin de la posicin de los pistones con respecto al eje podemos encontrar:

Figura 8. Motores radiales y axiales.

1. Motores de pistones axiales : Los pistones van dispuestos en la direccin del eje delmotor. El lquido entra por la base del pistn y lo obliga desplazarse hacia fuera. Como


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la cabeza del pistn tiene forma de rodillo y apoya sobre una superfice inclinada, lafuerza que ejerce sobre ella se descompone segn la direccin normal y segn ladireccin tangencial a la superficie. Esta ltima componente la obligar a girar, y conella solidariamente, el eje sobre la que va montada. Variando la inclinacin de la placao el basculamiento entre el eje de entrada y salida se puede variar la cilindrada y conella el par y la potencia.

2. Motor de pistones radiales : Los pistones van dispuestos perpendicularmente al ejedel motor. El principio de funcionamiento es anlogo al de los axiales pero aqu el parse consigue debido a la excentricidad, que hace que la componente transversal de lafuerza que el pistn ejerce sobre la carcasa sea distinta en dos posicionesdiametralmente opuestas, dando lugar a una resultante no nula que origina el par degiro.

PARTES PRINCIPALES DE LOS MOTORES HIDRULICOS

La variedad de motores hidrulicos es muy grande, por esta razn solo detallaremos laspartes de los motores ms utilizados en la industria.

Motor hidrulico de engranaje

1. Carcasa2. Engranaje (conductor y conducido)3. Cmara entre diente y diente.4. Zona de alta presin. (Orificio de salida)5. Zona d baja presin. (Orificio de alimentacin)

Motor hidrulico de paletas1. Carcasa2. Rotor3. Paletas4. Zona de alta presin5. Zona de baja presin6. Anillo

Motor hidrulico de pistones.1. Pistones2. Soporte3. Eje4. Sujetadores


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SIMBOLOGIA DE LOS MOTORES HIDRULICOS

La representacin de las instalaciones y de los aparatos que forman parte de las mismas sehace por medio de smbolos. Los smbolos se ajustan a normas concretas que permiten enprimer lugar reconocer los aparatos, su significado y la funcin que realizan.

El smbolo como tal, no da ninguna visin del aparato que lo representa respecto a suaspecto, forma, dimensiones, etc. Sino que se limita a representar la funcin o cometido delaparato, de manera que cuando veamos el smbolo identifiquemos sin ninguna duda elaparato que representa. Los principales Sistemas de Normalizacin utilizados en la hidrulicason:ISO. Internaciotanal Standardising Organization (Normas internacionales)- VDMA. Verein Deutsher Mashine au Anstalten. (Normas alemanas)


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- CETOP. Comit Europeo de Transmisiones Oleodinmicas y Neumticas.

Y los smbolos ms utilizados que representan a los motores hidrulicos son:

1. Motor hidrulico de caudal constante. No reversible2. Motor hidrulico de caudal constante. Reversible3. Motor hidrulico de caudal variable. No Reversible4. Motor hidrulico de caudal variable. Reversible

USOS O APLICACIONES DEL MOTOR HIDRULICOLas aplicaciones de los motores hidrulicos, son muy importantes dentro del amplio campo delas instalaciones hidrulicas, siendo su campo de aplicacin principal en mquinas de obras

pblicas, elevacin, barcos, armamento, maquinas herramienta, mquinas para la fabricacindel caucho y sus derivados incluyendo los plsticos, prensas, cortadoras,etc.

En nuestro pas su principal aplicacin es en las centrales hidroelctricas ya que poseemos ungran potencial de energa hidrulica. La energa elctrica obtenida por este modo, puede sertransformada al tipo que convenga segn sean los intereses nacionales o particulares.


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Importancia del Motor Hidrulico La importancia del motor hidrulico radica en la posibilidad de obtener grandes fuerzas ytorques, a comparacin de otros motores. Con ellos adems, es posible lograr una mayorexactitud de movimiento y posicionamiento ya que pueden controlarse electrnicamente enlazo abierto o en lazo cerrado logrndose un control preciso de sus parmetros.

El motor hidrulico es de fcil control y regulacin, debido a que tanto su caudal como supresin son cmodos de manejar. Poseen adems, relaciones peso/potencia, inercia/potenciay tamao/potencia pequeas, para la misma potencia, mientras el peso de un motor hidrulicoes como 1, el peso de un motor elctrico es como 14. Como consecuencia se usan enaviones, barcos y en general en equipos mviles. Para la misma potencia un motor hidrulicotiene una inercia de 1 y un motor elctrico tiene una inercia de 70. Como consecuencia losmotores hidrulicos tienen un menor tiempo de respuesta, esto es ms rpidos, al ser menor

su inercia. La comparacin de un motor hidrulico con un motor de combustin interna esobviamente mucho ms remarcada.Y son sistemas autolubricados, ya que tienen como principal fluido al aceite el cual no solotransporta la energa sino tambin lubrica todas las partes del sistema.

EJERCICIOS

Ejemplo 1:

Si el par generado por un motor de engranajes es 20 lbf-in y la cilindrada es 0.67 in3/rev, cules la presin que se encuentra antes del motor (presin del sistema)?

Ejemplo 2:

El caudal que llega a un motor de tornillo es 10 gpm, si la cilindrada real es de 0.96 in3/rev, siel rendimiento volumtrico es 0.95, hallar la velocidad de rotacin y el caudal terico.

Ejemplo 3:

La potencia a la entrada de un motor hidrulico de paletas axiales es 5 Hp, si el rendimientovolumtrico y mecanico es 0.96 y 0.85 respectivamente, calcular la potencia de salida.


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Ejemplo 4:El caudal que llega a un motor hidrulico de engranajes es 5 gpm, la potencia antes del motores 4 Hp, si la cilindrada real es 0.87 in3/rev, hallar el par a la salida.

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( ) Ejemplo 5:

Un motor hidrulico de pistones radiales tiene el dimetro del estator de 5 in y unaexcentricidad de 1.5 in, hallar el dimetro del rotor.

Ejemplo 6:

La cilindrada terica y el caudal terico de un motor hidrulico de pistones axiales son 0.87in3/rev y 5 gpm respectivamente, si el caudal que le llega es 4.8 gpm, Cul es su cilindrada

real?

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