Trabajo Mot.hidraulicos

UNIVERSIDAD CATOLICA DE SANTA MARIA FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIAS FISICAS Y FORMALES PROGRAMA PROFESIONAL DE INGENIERIA INDUSTRIAL

“MOTORES HIDRAULICOS”

CURSO

:

Diseño Mecánico

PROFESOR

:

Ing. Wilbert Zeballos Salas

ALUMNAS

:

Arenas Carnero, Maria Gracia Tejada Dongo, Pierina Alejandra Escarcena Mamani, Katya Arpasi Chaiña, Katherin

SECCIÓN

:

“A”

AULA

:

A-301

AREQUIPA – PERÚ 2007

ÍNDICE

1. Evolución Histórica

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2. Sistema Hidráulico

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3. Definición y Alcances del Motor Hidráulico

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4. Características de los Motores Hidráulicos

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5. Clases de Motores Hidráulicos

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6. Partes o Elementos del Motor Hidráulico

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7. Simbología de Motores Hidráulicos

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8. Usos o Aplicaciones del Motor Hidráulico

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9. Importancia del Motor Hidráulico

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10. Conclusiones

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11. Recomendaciones

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12. Bibliografía

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INTRODUCCIÓN Es difícil tratar de imaginarse la vida moderna sin la existencia de los motores, éstos se encuentran en todas partes. Para cualquier lado que volteemos podemos encontrar una máquina que funcione con un motor. En nuestra vida diaria ya estamos acostumbrados a escuchar acerca de un tipo de motor en particular: los motores hidráulicos. Desde la antigüedad los procesos hidráulicos han sido utilizados ampliamente en aplicaciones donde se requiere de altas potencias, como la industria del transporte, construcción, carga, manufactura, recreación, entre otros. Esto se debe a su principal ventaja la cual es transmitir fuerzas elevadas con ayuda de elementos de dimensiones reducidas, con lo cual se obtiene una relación potencia-peso mucho mayor que los sistemas neumáticos y eléctricos.

La energía hidráulica se basa en aprovechar la caída del agua desde cierta altura, entonces los motores hidráulicos transforman la energía hidráulica en torque y como resultado en fuerza; en los motores hidráulicos el movimiento rotatorio es generado por la presión. Los motores hidráulicos pueden llegar a generar mayores ventajas para la industria, que otra clase de motores, es en esto que radica la importancia del conocimiento acerca de su funcionamiento, clasificación, importancia y aplicación; ya que para nosotros futuros ingenieros industriales, es de vital importancia conocer y entender estos aspectos a fin de mejorar y optimizar los procesos industriales. Es entonces con este fin que presentamos el presente

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trabajo, dándoles a conocer con mayor profundidad los aspectos ya mencionados.

1. Evolución Histórica Los motores hidráulicos son los más antiguos conocidos (Herón de Alejandría, S. I a.c.), utilizaban como fuerza motriz la energía de una masa de agua que cae desde cierta altura, llamada salto. Esta energía se transforma en trabajo útil disponible en el eje de la máquina, entonces denominada rueda hidráulica, actualmente conocida como turbina Sus

orígenes

se

centran,

coincidiendo

los

estudiosos

más

comprometidos con el tema, en el Mediterráneo oriental. Se citan ruedas elevadoras en el río Nilo. Se conoce que Siria tenía ruedas hidráulicas en la época Imperial. Es bien conocido, que los motores hidráulicos estaban ampliamente divulgados en la Europa medieval. La rueda hidráulica servía como base principal de la energética de la producción medieval incluso hasta el s. XVIII.

En Inglaterra, por ejemplo, existían 5.000 molinos hidráulicos. Pero la rueda hidráulica no se aplicaba sólo en los molinos; poco a poco se comenzó a utilizarla también para el accionamiento del martillo en los talleres de forja, de los cabrestantes, las trituradoras, los fuelles de forja, máquinas herramienta, sierras múltiples, etc. No obstante, la «energética hidráulica» estaba ligada a determinados lugares de los ríos y se requería un motor que pudiera funcionar en cualquier lugar. Por esta

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razón, se requería un motor hidráulico que no dependiera del río. Lo cual era un problema, que con el paso del tiempo fue solucionándose. Un ejemplo clásico de un motor hidráulico:

Motor hidráulico «tipo»

Un modelo más desarrollado de motor hidráulico es el utilizado para fines prácticos, cogido

del libro de G. Becker «Nuevo teatro de

máquinas» editado en Nuremberg en 1661.

. Motor hidráulico para el accionamiento de una piedra de afilar

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“Este motor, destinado para hacer girar una piedra de afilar, fue propuesto por el italiano Jacobo de Strada en el año 1575. Del depósito de agua inferior S la bomba helicoidal O con un piñón que se pone en movimiento con ayuda de la rueda dentada R, trasiega el agua a la bandeja superior. De aquí el agua se vierte a la rueda C, la cual, por intermedio del árbol D, pone en movimiento la piedra de afilar. Por intermedio de un sistema complejo de transmisiones (tornillo sin fin y las ruedas dentadas E, G, L y R) la rueda C pone también en movimiento la bomba O. Para la uniformidad del movimiento en el árbol vertical se ha establecido el volante K. El autor está tan convencido de que al flujo A el agua se suministra con exceso y que bastará para todas las necesidades, que por el tubo P vierte parte de la misma para humectar la piedra de afilar, a la cual trabaja el afilador. Aquí se ha hecho todo lo que puede ser previsto por un constructor experimentado.” Pero, esta maquina llamada «arte de giro y rotación con doble transmisión», tiene un defecto: la bomba nunca podrá elevar tanta agua, como necesita la rueda de trabajo. Un proceso para superar esta dificultad, consistía en obligar al agua a elevarse (y verterse) en menor diferencia de alturas. Para ello se preveía un sistema en cascada de varias bombas y ruedas de trabajo unidas en serie. Una máquina con estás características fue descrita en el libro de 3. Wilkins.

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Motor hidráulico en cascada triescalonado con un tornillo de Arquímedes

”La elevación del agua se realiza por medio de una bomba de hélice, compuesta por el tubo inclinado AB, en el cual gira el rotor LM, mostrado más abajo aparte. Este se pone en movimiento por tres ruedas de trabajo H, 1 y K, sobre las cuales el agua se suministra desde tres vasos dispuestos en cascada E, F y G.”

En la valoración de este motor Wilkins, no sólo rechazó este motor por razonamientos generales, sino que incluso calculó que para la rotación de la espiral «se requiere tres veces más agua, que la que ella suministra hacia arriba». Wilkins al igual que muchos de sus contemporáneos, comenzó a dedicarse a la mecánica e hidráulica con la tentativa de inventar el móvil perpetuo.

Entre otros motores hidráulicos cabe señalar la máquina del jesuita polaco Stanislav Solski, quien para poner en movimiento la rueda de trabajo hacía uso de un cubo con agua. En el punto superior la bomba llenaba el cubo, éste descendía, girando la rueda, en el punto inferior el cubo se volcaba y vacío subía; luego el proceso se repetía. Cuando el padre demostró esta máquina en Varsovia (1661) al rey Casimiro le 7

gustó mucho. No obstante, se demostró que los motores hidráulicos del sistema «bomba - rueda hidráulica» en la práctica no funcionaban. Era necesario que se pudiese elevar el agua desde el nivel inferior al superior sin el gasto de trabajo, sin emplear la bomba mecánica. Y semejantes ideas aparecieron, tanto a base de la utilización de los fenómenos

ya

descubrimientos

conocidos,

como

en

relación

con

los

nuevos

físicos.

Desde mediados del siglo XIX, y con los avances de la técnica, que permitieron crear motores hidráulicos más potentes, que pudieran aprovechar mayores alturas y/o caudales. Aparece la turbina, en la que la energía potencial del agua se transforma previamente en energía cinética que luego es cedida al rodete. Una mayor velocidad del agua a su paso por la maquina reduce las secciones por lo que se puede producir potencias importantes con dimensiones relativamente pequeñas de la maquina.

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2. Sistema Hidráulico

Los sistemas hidráulicos reciben energía mecánica (generalmente con alta velocidad y baja fuerza y torque) y la convierten en energía de fluido y luego nuevamente la transforman en energía mecánica (generalmente con baja velocidad pero alta fuerza o torque).Estos logran ser simples o complejos. Consiguen operar a altas temperaturas (por ejem. 60ºC, 140ºF), y ciclos rápidos.

Partes del Sistema Hidráulico

El sistema hidráulico tiene tres partes: sistema de conversión de energía mecánica en energía de fluido, control de presión y caudal y actuador. En estas tres partes encontramos frecuentemente a los siguientes elementos: Un recipiente, un filtro, una bomba, válvulas de control de flujo y un cilindro o actuador. El fluido hidráulico lleva a cabo en el sistema cuatro funciones simples: • Transmitir potencia • Lubricar la bomba, válvulas y sellos • Proteger el sistema removiendo contaminantes (humedad, suciedad, calor, aire) • Sellar con los componentes internos.

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Los sistemas hidráulicos pueden ser hidrostáticos o hidrodinámicos dependiendo de la estabilidad o movimiento del fluido, considerando la variación de energía de velocidad en comparación con la energía de presión.

Clases de Sistemas Hidráulicos

 Sistemas hidrostáticos: Son aquellas que convierten la energía mecánica que reciben principalmente a energía de presión la misma que predomina en comparación a la energía de velocidad manteniendo al fluido en reposo.

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F

A

p

Para que el sistema sea hidrostático se considera: o La presión en un fluido es igual a la intensidad de la fuerza aplicada sobre un área. o En un recipiente cerrado la presión se transmite igual y en todos los sentidos

b. Sistemas hidrodinámicos: convierten la energía mecánica que reciben en energía de velocidad la misma que predomina sobre la energía de la presión creando un movimiento del fluido siendo esta la que genera el movimiento y energía a determinado sistema

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

o Conservación de la masa y o conservación de la energía

3. Definición y Alcances del Motor Hidráulico

Una máquina es un transformador de energía y estas se clasifican en grupos: máquinas de fluidos, máquinas -herramienta-, máquinas eléctricas, etc.

Las máquinas hidráulicas pertenecen a un grupo muy importante de máquinas que se denominan máquinas de fluido. Estas son aquellas, en las que el fluido, o bien proporciona la energía que absorbe la máquina o bien aquellas en que el fluido es el receptor de energía, al que la máquina restituye la energía mecánica absorbida.

Ahora bien, un motor hidráulico, es una máquina hidrostática, que al ser accionada por un fluido, transforma la energía hidráulica en energía mecánica rotativa y que se toma del eje del propio motor. Su construcción se parece mucho a la de las bombas. En vez de suministrar

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fluido como lo hace la bomba, son impulsados por esta y desarrollan un movimiento de rotación, transformando la energía hidráulica en torque, obteniendo así la Fuerza.

4. Características de los Motores Hidráulicos Todos lo motores hidráulicos posee varias características en común que pueden ser: 1. Cada tipo debe tener una superficie sometida a presión diferencial. En los motores paleta, engranajes y orbitales esta superficie es rectangular. En los motores de pistones axiales y radiales la superficie es circular. 2. En cada diseño la presión aplicada al área, debe estar conectada mecánicamente a un eje de salida que aplica la energía mecánica al equipo accionado por el motor. 3. La aplicación del fluido bajo presión a esta superficie debe proporcionarse en cada tipo de motor hidráulico para poder mantener una rotación continua.

El funcionamiento optimo del motor varia en cada tipo de diseño por la capacidad de soportar presiones y grandes fuerzas, caudal, par, velocidad, entre otros.

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Características nominales de los motores

a. Desplazamiento Es la cantidad de fluido requerida por el motor para que su eje gire una revolución. Este se expresa en volumen (pulgadas cúbicas por revolución o centímetros cúbicos por revolución). El desplazamiento de los motores hidráulicos puede ser fijo o variable para un mismo caudal de entrada y presión de trabajo constantes. El motor de desplazamiento fijo suministra un par constante (torque constante) a velocidad constante. Bajo las mismas condiciones, el motor de desplazamiento variable proporciona un par variable (torque variable) a velocidad variable.

Par (Torque) Es una magnitud física que nos sirve para darnos idea de cómo evoluciona la fuerza de un motor. En otras palabras, representa la capacidad

del

motor

para

producir

trabajo

o

arrastre.

El par depende del régimen al que está girando un motor y la curva de par es la representación del par que tiene el motor a cada régimen de giro.

Velocidad La velocidad del motor depende de su desplazamiento y del volumen del fluido que se suministra. Su velocidad máxima es la velocidad a una presión de entrada especifica que el motor puede mantener durante un 14

tiempo limitado sin dañarse. La velocidad mínima es la velocidad de rotación suave de rotación, suave, continua y más baja de su eje. El motor hidráulico debe ser operado dentro de sus rangos de eficiencia.

Presión La presión necesaria para el funcionamiento de un motor hidráulico depende del par y del desplazamiento. Un gran desplazamiento desarrolla un par determinado con menor presión. P = F / A 5. Clases de Motores Hidráulicos a.

Turbinas

La turbina hidráulica es un elemento que aprovecha la energía cinética y potencial del agua para producir un movimiento de rotación que, transferido mediante un eje, mueve directamente una máquina o bien un generador que transforma la energía mecánica en eléctrica. Y se dividen en:

 Turbina Hidráulica Tipo Francis (T. Reacción) Fue desarrollada por James B. Francis. Las turbinas Francis son turbinas hidráulicas que se pueden diseñar para un amplio rango de saltos y caudales, siendo capaces de operar en rangos de desnivel que van de los diez metros hasta varios cientos de metros. Esto, junto con su alta eficiencia, ha hecho que este tipo de turbina sea el más ampliamente usado en el

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mundo, principalmente para la producción de energía eléctrica mediante centrales hidroeléctricas.

 Turbina Hidráulica Tipo Kaplan (T. Reacción) Las turbinas Kaplan son turbinas de agua de reacción de flujo axial, con un rodete que funciona de manera semejante a la hélice de un barco y que deben su nombre a su inventor, el austriaco Viktor Kaplan. Se emplean en saltos de pequeña altura. Las amplias palas o álabes de la turbina son impulsadas por agua a alta presión liberada por una compuerta. La turbina Kaplan lo es en los saltos de baja altura (menos de 10 m).

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 Turbina Hidráulica Tipo Pelton (T. Acción) Fue Lester Allan Pelton, carpintero y montador de ejes y poleas, quien inventó la turbina Pelton en 1879 mientras trabajaba en California. Obtuvo su primera patente en 1880. La tobera o inyector lanza directamente el chorro de agua contra la serie de paletas en forma de cuchara montadas alrededor del borde de una rueda. Cada paleta invierte el flujo de agua, disminuyendo su energía. El impulso resultante hace girar la turbina. Las paletas se montan por pares para mantener equilibradas las fuerzas en la rueda. La turbina Pelton es un tipo de turbina de impulso y se emplea generalmente para saltos de agua de gran altura (más de 50 m)

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a.

Bombas de Desplazamiento Positivo

 Motores de Cilindrada Fija A caudal constante la velocidad es constante.  Motores de Cilindrada Variable Se puede variar la velocidad variando la cilindrada. Los motores hidráulicos tienen mucha similitud con las bombas hidráulicas es por eso que se clasifican de igual forma y pueden ser:

•

Motores de Engranajes

El motor de engranajes es el más usado entre los motores hidráulicos. El motor de engranajes es un motor muy simple, fiable, relativamente barato y el menos sensible a la suciedad. El sentido de rotación está determinado por la dirección del flujo de aceite. La presión en el lado de presión depende de la carga (torque) en el eje del motor hidráulico.

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•

Motores de Paletas

El par generado se consigue en estos motores por efecto de la presión del fluido sobre las paletas móviles del rotor y que al arrastrarlas lo hace girar. Cuanto mayor sea el ajuste de las paletas con la pared interior del carter mayor rendimiento tendrá el motor.

•

Motores de Pistones

En este motor los pistones están dispuestos en el tambor del motor en forma axial y paralelos al eje. Se distinguen dos tipos de motores a pistones: Motores axiales: los

pistones se encuentras dispuestos en forma

paralela

al eje. Motores radiales:

los

pistones están dispuestos en forma

radial al

eje.

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6. Partes o Elementos del Motor Hidráulico Como ya hemos hablado anteriormente la variedad de motores hidráulicos es muy grande, por esta razón solo detallaremos las partes de los motores mas utilizados en la industria.

a) Motor hidráulico de engranaje 1. Carcasa 2. Engranaje (conductor y conducido) 3. Cámara entre diente y diente. 4. Zona de alta presión. (Orificio de salida) 5. Zona d baja presión. (Orificio de alimentación)

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b) Motor hidráulico de paletas 1. Carcasa 2. Rotor 3. Paletas 4. Zona de alta presión 5. Zona de baja presión 6. Anillo

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c) Motor hidráulico de pistones Axiales 1. Pistones 2. Soporte 3. Eje 4. Sujetadores

7. Simbología de Motores Hidráulicos La representación de las instalaciones y de los aparatos que forman parte de las mismas se hace por medio de símbolos. Los símbolos se ajustan a normas concretas que permiten en primer lugar reconocer los aparatos, su significado y la función que realizan.

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El símbolo como tal, no da ninguna visión del aparato que lo representa respecto a su aspecto, forma, dimensiones, etc. Sino que se limita a representar la función o cometido del aparato, de manera que cuando veamos el símbolo identifiquemos sin ninguna duda el aparato que representa. Los principales Sistemas de Normalización utilizados en la hidráulica son: -

ISO.

Internaciotanal

Standardising

Organization

(Normas

internacionales) - VDMA. Verein Deutsher Mashine au Anstalten. (Normas alemanas) - CETOP. Comité Europeo de Transmisiones Oleodinámicas y Neumáticas. Y los símbolos más utilizados que representan a los motores hidráulicos son:

1) Motor hidráulico de caudal constante. No reversible

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2) Motor hidráulico de caudal constante. Reversible. 3) Motor hidráulico de caudal variable. No reversible. 4) Motor hidráulico de caudal variable. Reversible.

8. Usos o Aplicaciones del Motor Hidráulico

Las aplicaciones de los motores hidráulicos, son muy importantes dentro del amplio campo de las instalaciones hidráulicas, siendo su campo de aplicación principal en maquinas de obras públicas, elevación, barcos, armamento, maquinas herramienta, maquinas para la fabricación del caucho y sus derivados incluyendo los plásticos, prensas, cortadoras, etc.

En nuestro país su principal aplicación es en las centrales hidroeléctricas ya que poseemos un gran potencial de energía hidráulica. La energía eléctrica obtenida por este modo, puede ser transformada al tipo que convenga según sean los intereses nacionales o particulares.

9. Importancia del Motor Hidráulico La importancia del motor hidráulico radica en la posibilidad de obtener grandes fuerzas y torques, a comparación de otros motores. Con ellos además, es posible lograr una mayor exactitud de movimiento y posicionamiento ya que pueden controlarse electrónicamente en lazo

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abierto o en lazo cerrado lográndose un control preciso de sus parámetros. El motor hidráulico es de fácil control y regulación, debido a que tanto su caudal como su presión son cómodos de manejar. Poseen además, relaciones peso/potencia, inercia/potencia y tamaño/potencia pequeñas, para la misma potencia, mientras el peso de un motor hidráulico es como 1, el peso de un motor eléctrico es como 14. Como consecuencia se usan en aviones, barcos y en general en equipos móviles. Para la misma potencia un motor hidráulico tiene una inercia de 1 y un motor eléctrico tiene una inercia de 70. Como consecuencia los motores hidráulicos tienen un menor tiempo de respuesta, esto es más rápidos, al ser menor su inercia. La comparación de un motor hidráulico con un motor de combustión interna es obviamente mucho más remarcada. Y son sistemas autolubricados, ya que tienen como principal fluido al aceite el cual no solo transporta la energía sino también lubrica todas las partes del sistema.

10. Conclusiones

 Como hemos podido darnos cuenta, el desarrollo de la tecnología hidráulica fue progresivo y es en nuestros días, en donde

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podemos apreciar el gran beneficio a la humanidad que tantos investigadores han legado.

 Los

motores

hidráulicos,

son

elementos

encargados

de

transformar energía hidráulica en energía mecánica.

 Los símbolos se ajustan a normas concretas que permiten en primer lugar reconocer los aparatos, su significado y la función que realizan.

 Gracias a esta transformación formidable de la potencia, hoy podemos realizar grandes obras y generar infinidad de productos para la satisfacción de las necesidades de toda la humanidad.

 Mediante una adecuada estrategia de control, un sistema de posición implementado con motores hidráulicos puede alcanzar desempeños igual de buenos que los eléctricos en intervalos específicos de inercia y presión de suministro, brindando así una opción tecnológica óptima para aquellas aplicaciones donde los sistemas eléctricos resultan inapropiados o peligrosos.

11. Recomendaciones La información disponible acerca de este tema, si bien no es suficiente, nos brinda ideas generales que nos permite obtener conocimientos sobre los motores hidráulicos. Recomendamos por ende, la utilización 26

no sólo del Internet como herramienta útil de búsqueda de información, sino fuentes escritas en bibliotecas, departamentos de mecánica e incluso la orientación de personas capacitadas en el tema, con el fin de no confundir conceptos y demás aspectos relacionados a este amplio tema.

12. Bibliografía  Tecnología de los circuitos Hidráulicos. J.P. de Groote.  Motores Hidráulicos. L. Quanta.  Ingeniería Hidráulica aplicada a la distribución del agua. Cabrera, E. Espart. García Serra, J.  Mecánica de fluidos y maquinas hidráulicas. Mataix, Claudio.  Maquinas Hidráulicas. Jara Regui, Wilfredo.  http://home.wxs.nl/~brink494/tw_mot_esp.htm  http://hkenning.tripod.com/mhu2/motores.html  www.nfpa.com  www.tecnicaoleohidralica.com  http://www.emc.uji.es/d/IngMecDoc/344AmplDisMaq/Curso_0203/webs_Alumnos/Web1_0203/Pagina_Web/principal.html

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