FUNCIONAMIENTO de un SISTEMA HIDRÁULICO

CONCEPTOS BÁSICOS

Definición:

Se puede decir que Hidráulica es un medio de transmisión energética utilizando técnicas con aceites comprimidos

• Ventajas:
  a) Simplicidad: pocas piezas en movimiento (bombas, motores y cilindros).
  b) Tamaño: pequeño comparado con la mecánica y la electricidad de igual potencia.
  c) Multiplicación de fuerzas: (prensa hidráulica). Fácil control se fuerzas
  d) Movimientos suaves y silenciosos.
  e) Fácil inversión del sentido de marcha.
  f) Regulación sencilla de velocidad.
  g) Fácil protección contra sobrecargas.

• Inconvenientes:
  a) Limpieza: en la manipulación de los aceites, aparatos y tuberías, como el lugar de
  ubicación de la maquina. En la práctica, hay muy pocas maquinas hidráulicas en las
  que se extremen las medidas de limpieza.
  b) Alta presión: exige un buen mantenimiento.
  c) Precio: las bombas, motores, válvulas proporcionales y servo válvulas son caras.
  d) Problemas mecánicos y de pérdidas de fluido.
  e) Anomalías debido a la compresibilidad del aceite y a la elasticidad del sistema.

• Aplicaciones:
  1) Sector manutención. En líneas automáticas de transporte interno.
  2) Sector de prensas y cizallas.
  3) Industria Siderúrgica: laminadores en frío y en caliente, líneas de acabado y maquinas
  de colada continua. Maquinas – herramientas (tornos y fresadoras).
  4) Industria eléctrica. Turbinas e interruptores de alta presión.
  5) Industria química. Mezcladores y en ambientes explosivos.
  6) Industria Electromecánica. Hornos de fusión, tratamientos térmicos y soldaduras
  automáticas. Maquinaria agrícola, barcos, aviones.
  7) Industria Textil. Maquinas de estampado de tejidos y telares.
  8) Industria de la madera y el papel. Maquinas continuas, rotativas, impresoras y
  periódicos.

En resumen:
Accionamiento de válvulas       – Aparatos Portátiles             -Apertura y cierre de bodegas
Maquinaria Agrícola                 – Arranque de motores                   -Cargadores
Cepilladoras                              – Cizallas                                         -Contrapuntos de torno
Copiadores                                -Curvadoras de tubos y perfiles     -Prensas
Servosistemas                            -Devanadora                                  -Embragues
Excavadoras                               -Frenos                                           -Gatos Hidráulicos
Grúas                                         -Laminadores                                  -Maquinarias en general
Plegadoras                                 -Cabrestantes

Componentes del sistema hidráulico

• 1) Fluido Hidráulico
  2) Acumulador
  3) Filtros
  4) Bomba
  5) Motor eléctrico
  6) Válvula de seguridad
  7) Manómetro
  8) Distribuidor (válvulas de vías)
  9) Válvulas auxiliares
  a) Válvulas de regulación
  b) Válvulas de descarga
  c) Reguladores de caudal
  d) Antirretornos
  10) Cilindros

Es muy común encontrar en la literatura el término centralita hidráulica. El mismo se refiere
al conjunto de elementos formados por él deposito, la bomba, motor, el filtro, la válvula de
seguridad, el manómetro y por supuesto el fluido.

En general se dividen en tres grupos según la presión de trabajo:
1) Pequeña presión: de 0 a 50 bares
2) Media presión: de 50 a 150 bares
3) Alta presión: desde 150 bar

Estas centralitas como veremos mas adelante están compuestas ente otros elementos por
filtros de diferente tipo y diferente conexión en los circuitos de acuerdo a los requerimientos
del sistema.

Fluidos hidráulicos:

Se define como fluido a cualquier sustancia capaz de transmitir esfuerzos de corte por roce, sin embargo el término fluido ser ha generalizado en hidráulica para referirse al líquido que se utiliza como medio de transmisión de energía.

El fluido hidráulico tiene cuatro funciones principales: Transmitir potencia, lubricar piezas móviles,
minimizar fugas y disipar el calor.

Estos fluidos deben ser lubricantes, refrigerantes, anticorrosivos, soportar temperaturas sin
evaporarse, soportar altas presiones, absorber ruido y vibraciones.

Fluidos hidráulicos:
Líquidos de base acuosa
Líquidos sintéticos
Aceites minerales y vegetales

Líquidos de base acuosa:
Aceite mineral de agua (15% aceite – Temp: 10º C a 70º C)
Agua en aceite mineral (50% aceite – Temp: 10º C a 70º C)
Agua con glicerina (50% Glicerina – Temp: -45º C a 65º C)
Glicol – agua (de 35% a 60% de agua, resto alcohol – Temp:-15º C a 60º C)

Líquidos sintéticos:
Estereofosfatados – Temp: -55º C a 150º C
Siliconas: Temp: -70º C a 300º

Aceites minerales y vegetales:
Tienen el inconveniente de degradarse con la temperatura, siendo su temperatura de trabajo entre 10º C a 100º C.

En la actualidad el fluido hidráulico mas utilizado es el aceite mineral, con algunos aditivos
para mejorar sus propiedades.

En la fig. 1 se observa una tabla con propiedades de los fluidos.

Figura 1

Aditivos:

Son sustancias que se le agregan a los fluidos para cambiar sus propiedades, los más comunes son para: aumentar la viscosidad, anticongelantes, adherentes, antiespumantes,
antioxidantes.

Transmisión de potencia:

Como medio transmisor de potencia, el fluido debe circular fácilmente por las líneas y orificios de los elementos. Demasiada resistencia al flujo origina pérdidas de potencia considerables. El fluido también debe ser lo más incompresible posible, de forma que cuando se ponga en marcha una bomba o cuando se actúe una válvula, la acción sea instantánea.

Lubricación:

En la mayoría de los elementos hidráulicos, la lubricación interna la proporciona el fluido. Los elementos de las bombas y otras piezas desgastables se deslizan unos contra otros sobre una película de fluido. Para que la lubricación de los componentes sea duradera, el aceite debe contener los aditivos necesarios para asegurar buenas
características anti desgaste, anticorrosivo, antiespumante y capacidad de evacuar el calor.

Además de las funciones mencionadas, también debe cumplir con los siguientes requerimientos: Impedir la formación de lodos, gomas, barnices, mantener su propia estabilidad y por consiguiente reducir el costo del cambio del fluido.

ACUMULADORES
A diferencia de los gases, los fluidos utilizados en los sistemas hidráulicos no pueden ser comprimidos y almacenados para su utilización en cualquier momento o lugar.

El acumulador en un dispositivo por medio del cual se puede almacenar y suministrar fluidos incompresibles bajo presión o no. En el caso a presión, esto se consigue cuando el fluido hidráulico bajo presión entra en la cámara del acumulador y hace una de las tres siguientes acciones: comprime un muelle, comprime un gas o eleva un peso.

Depósitos:

Su función principal es la de acondicionar el fluido, es decir, proporcionar el espacio suficiente para guardar todo el fluido del sistema más una reserva, manteniendo el fluido limpio a una temperatura de trabajo adecuada. El fluido se mantiene limpio mediante el uso de filtros, coladores e imanes según lo requieran las condiciones medio ambientales.
La temperatura adecuada de trabajo se logra con un diseño acorde del sistema hidráulico con la utilización de intercambiadores de calor.
Los proyectos de sistemas hidráulicos industriales tienen una ventaja sobre los sistemas aeronáuticos o el de equipos móviles.

Esta ventaja se basa en la gran flexibilidad y en el diseño del depósito, prácticamente sin problemas de situación o de dimensiones.

En primer lugar el depósito, sirve de almacenamiento para el fluido requerido por el sistema. El depósito también debe tener espacio para que el aire pueda separarse del fluido y debe permitir igualmente que los contaminantes sedimenten.

Además un depósito bien diseñado debe disipar el calor generado en el sistema. Es siempre deseable un tamaño grande del tanque para facilitar el enfriamiento y la separación de los contaminantes.

Figura 2

• Tipos de acumuladores:
  a) Acumulador de peso
  b) Acumulador de resorte
  c) Acumulador de pistón
  d) Acumulador de vejiga
  e) Acumulador de membrana

Prácticamente sin problemas de ubicación, el depósito (fig. 2b) y el acumulador (fig. 2a)
debe diseñarse de forma que cumpla las siguientes funciones:

-> Servir de almacenamiento para el fluido que va a circular por el sistema.
-> Dejar en su parte superior un espacio libre suficiente para que el aire pueda separarse del
fluido.
->  Compensar fugas de fluido
-> Reducir o eliminar los golpes de ariete
-> Compensar variaciones de presión
-> Permitir que los contaminantes se sedimenten.

-> Disipar el calor generado en el sistema.

Figura 3

Figura 3a:                                                        Figura 3b:
1) Masa                                                          1) Resorte
2) Pistón                                                        2) Pistón
3) Fluido                                                        3) Fluido

Como mínimo, el depósito debe contener todo el fluido que requiere el sistema, manteniendo un nivel lo suficientemente alto para que no se produzca un efecto torbellino en la línea de aspiración de la bomba.  Si esto ocurriese, entraría aire en el sistema que lo deterioraría rápidamente.

La dilatación del fluido debida al calor, las variaciones de nivel debidas al funcionamiento del sistema, la superficie interna del tanque expuesta a la condensación del vapor de agua, y la cantidad de calor generado en el sistema, son factores que hay que tener en consideración.

Como norma general se acostumbra a emplear un depósito cuya capacidad en litros sea por lo menos dos o tres veces la capacidad de la bomba expresada en litros por minuto.
En la mayoría de los depósitos se utiliza un respiradero al que se le incorpora también un filtro grosero, normalmente de malla metálica. Con objeto de mantener la presión atmosférica en el interior del depósito, este filtro o respiradero debe tener el tamaño adecuado para el caudal requerido por la bomba. Así mismo, debe disponer de una placa desviadora que se extienda a lo largo del centro del tanque. Esta placa tiene generalmente 2/3 de la altura del nivel del aceite y se usa para separar la línea de entrada de la bomba de la línea de retorno, de forma que el mismo fluido no pueda recircular continuamente, sino que antes deba realizar una decantación en el interior del tanque.

De esta forma, la placa desviadora:
-> Impide que se originen turbulencias.
->Permite que partículas extrañas sedimenten en el fondo.
->Ayuda a separar el aire del fluido.
->Ayuda a disipar el calor a través de las paredes del tanque.

La mayoría de las conexiones que van al depósito deben terminar bajo el nivel de aceite. Tanto las líneas de aspiración como las de retorno deben estar más bajas que el nivel del fluido.

Las conexiones situadas encima del nivel del fluido deben estar bien cerradas para impedir que entre aire en el sistema. Las conexiones situadas bajo el nivel de fluido deben estar apretadas lo suficiente para que no haya pérdidas de fluido. La línea de retorno debe situarse de tal forma que el caudal se dirija hacia las paredes del tanque y se aleje de la línea de entrada de la bomba.
La mayoría de los sistemas hidráulicos de tamaño pequeño a mediano utilizan los tanques o depósitos como base de montaje para la bomba, motor eléctrico, válvula de alivio, y a menudo otras válvulas de control. Este conjunto se llama “Unidad de bombeo” o “Unidad Generadora de Presión”.
La tapa del tanque puede ser removida para permitir la limpieza e inspección. Cuando esta no es la lateral y constituye la parte superior del tanque lleva soldadas cuplas para recibir la conexión de tuberías de retorno y drenaje.

Se colocan guarniciones alrededor de las tuberías que pasan a través de la tapa para eliminar la entrada de aire.

Figura 4

El tanque se completa con un indicador de nivel y un filtro de respiración que impide la entrada de aire sucio.
La posición de los bafles dentro del tanque es muy importante. En primer lugar establecer la
separación entre la línea de succión y la descarga de retorno.

Figura 5

En segundo lugar la capacidad de radiación de temperatura del tanque puede ser incrementada si el bafle se coloca de forma tal que el aceite circule en contacto con las paredes externas como lo muestra la figura.

Para sistemas corrientes, el tamaño del tanque debe ser tal que el aceite permanezca en su interior de uno a tres minutos antes de recircular. Esto quiere decir que sí el caudal de la bomba es de 60 litros por minuto, el tanque debe tener una capacidad de 60 a 180 litros. En muchas instalaciones, la disponibilidad de espacio físico no permite el empleo de tanques de gran capacidad, especialmente en equipos móviles. Las transmisiones hidrostáticas en lazo
cerrado, constituyen una excepción a la regla, ordinariamente emplean tanques relativamente pequeños.

Tener un tanque muy grande a veces puede ser una desventaja en sistemas que deben arrancar a menudo u operar en condiciones de bajas temperaturas.

• FILTROS
  Filtro: Su función principal es la de retener partículas y contaminantes insolubles en el fluido, mediante el uso de un material poroso. De esta manera se consigue alargar la vida útil de la instalación, debido a que se trabaja con un fluido limpio y no contaminado.Los elementos que contaminan el aceite pueden ser:
  a) Agua y ácidos
  b) Partículas metálicas
  c) Hilos y fibras.
  d) Polvo, partículas de juntas y pintura.

Se define como grado de filtración al tamaño de la partícula más fina que puede retener el filtro. Se expresa en micras y van desde 1 a 270 micras.

• Factores que determinan el filtrado:
  a) Nivel de filtración
  b) Presión de trabajo
  c) Caudal
  d) Perdidas de carga en el filtro
  e) Frecuencias de mantenimiento
  f) Superficie filtrante
  g) Accesibilidad del circuito
  h) Coste
  i) Características del fluido
  j) Ambiente de trabajo (temperatura, suciedad, vibraciones, etc.)

• Datos técnicos de los filtros:
  a) Grado de filtración
  b) Caudal filtrante
  c) Presión máxima
  d) Tipo de fijación
  e) Tipo de elemento filtrante
  f) Presión diferencial
  g) Colocación en el circuito

                             
Figura 6

• Tipos de filtros:
  a) Ambiente (25 micras – papel celulósico)
  b) Aspiración (100, 160 y 270 micras – superficie, malla bronce fosforoso, espiral magnética y captadores magnéticos).
  c) Presión (3 – 50 micras – superficie, malla bronce fosforoso, resinas especiales y malla acero inoxidable).
• Donde:
  1) Señalizador visual
  2) Carcasa
  3) Cartucho del filtraje
  4) Brida de asiento
  d) Retorno (10 -160 micras – superficie, papel micronic, discos lenticulares, malla bronce fosforoso, espiral magnética, profundidad, filtros magnéticos, absorción, lana vidrio y algodón.

Figura 7

1) Señalizador visual   2) Carcasa   3) Cartucho del filtraje   4) Brida de asiento

Filtro ambiente:

El aire contenido en el depósito, encima del nivel de aceite, esta en comunicación con el exterior a través de un filtro ambiente de generalmente 25 micras que impiden que las impurezas del aire ambiente penetren en el depósito. Estos filtros son de papel celulósico y no sirven para filtrar aceite.

Filtros de superficie:

Estos retienen sobre su superficie externa las partículas contaminantes.
Estos pueden ser:
a) Papel micronic: son de hoja de celulosa tratada y grado de filtración de 5 a 160 micras. Los que son de hoja                 pisada aumentan la superficie filtrante.
b) Filtro de malla de alambre: el elemento filtrante es de malla de un tamiz más o menos grande,                                    normalmente  de bronce fosforoso.

                       
Figura 8 – Filtro Tamiz

c) Filtro de alambre bobinado o espiral magnética: cuanto mas denso es el bobinado que lo conforma mayor                  será el grado de filtración.
d) Filtro de discos lenticulares: su eficacia va desde 5 micras, los discos son desmontables y van apilados uno                  encima de otro.
e) Filtros de profundidad: retienen las partículas contaminantes al pasar el aceite por su interior.
f) Filtros de absorción: el aceite atraviesa el filtro que puede ser de algodón, papel o lana de vidrio.
g) Filtros magnéticos: son muy caros y poco empleados, deben ser dimensionados convenientemente para                    que el aceite circule por ellos lo mas lentamente posible y cuanto mas cerca de los elementos magnéticos                  mejor, para que puedan captar las partículas ferrosas. Van dentro de un filtro de superficie.

Filtros de aspiración:

Es relativamente tosco, comparado con un filtro protege a la bomba de las partículas del orden de 150 micras. Estos se montan generalmente, fuera del depósito cerca de la entrada a la bomba.

Figura 9

Filtros de presión:

Existen filtros diseñados para ser instalados en la línea de presión que puede captar partículas mucho más finas que los filtros de aspiración. En general en instalaciones delicadas como las que cuentan con servomecanismos. Pueden aguantar presiones de hasta 500 bar.

En la línea de presión.

En la figura vemos un filtro instalado a la salida de la bomba y delante de la válvula reguladora de presión y alivio. Estos filtros deben poseer una estructura que permite resistir la máxima presión del sistema. Por seguridad deben poseer una válvula de retención interna. La máxima perdida de carga recomendada con el elemento limpio es de 5 PSI.

Figura 10

En el retorno por alivio.
En este punto puede emplearse un filtro de baja presión. Es una disposición Ideal cuando trabajan válvulas de control de flujo en serie y el caudal de exceso se dirige vía la válvula de alivio permanentemente a tanque. La máxima perdida de carga recomendada es de 2 PSI con el elemento limpio.

Figura 11

En la línea de retorno.
El aceite que retorna del sistema puede pasar a través de un filtro cuando se dirige a tanque. Este método es el más empleado. Este tipo de filtro puede instalarse hasta caudales de 340 litros/min. La filtración va desde 10 a 200 micras.

Figura 12

Obs:

Cuando seleccione el tamaño de un filtro de este tipo, recuerde que el caudal de retorno puede ser mucho mayor que el de la bomba, debido a la diferencia de secciones a ambos lados de los cilindros.

Refrigeradores:

Como ningún sistema tiene un rendimiento del 100%, el calor constituye un problema general. Por esta razón, hay que refrigerar el fluido cuando este deba tener una temperatura adecuada.

Intercambiadores de aire:

Se utiliza un intercambiador de aire cuando el agua de refrigeración es difícil de obtener o cuando se requieren intercambiadores de bajo peso operativo. El fluido se bombea a través de tubos con aletas. La refrigeración puede ser natural o forzada.

Figura 13

Válvulas auxiliares:
Válvulas antirretorno: Una válvula antirretorno puede funcionar como control direccional o como control de presión. En su forma más simple, sin embargo, una válvula antirretorno no es más que una válvula direccional de una sola vía. Permite el paso libre del aceite en una dirección y lo bloquea en la otra.

Figura 14

Figura 15

Figura 16

Controles de presión:

Las válvulas de control de presión o de seguridad realizan funciones tales como limitar la presión máxima de un sistema o regular la presión reducida en ciertas partes del circuito u aquellas actividades que implican cambios en la presión de trabajo. Su funcionamiento se basa en un equilibrio entre presión y la fuerza de un muelle.

Válvula de seguridad simple:

Una válvula de seguridad simple o de acción directa puede consistir en una bola u obturador mantenido en su asiento, en el cuerpo de la válvula, mediante un muelle. En la mayoría de estas válvulas se dispone de un tornillo de ajuste para variar la fuerza del muelle, de esta forma, la válvula puede ajustarse para que se abra a cualquier presión comprendida dentro de su rango de trabajo.

Figura 17

Válvulas reductoras de presión:

Las válvulas reductoras de presión son controladores de presión, normalmente abiertos, utilizados para mantener presiones reducidas en ciertas partes de un circuito. Las válvulas son actuadas por la presión de salida, que tiende a cerrarlas cuando se llega a la precarga de la válvula, evitándose así un aumento de presión no deseado.
Figura 18

Controladores de caudal:

Las válvulas reguladoras de caudal se utilizan para regular la velocidad del actuador. Ésta depende de la cantidad de aceite que se le envía por unidad de tiempo. Es posible regular el caudal con una bomba de desplazamiento variable, pero en muchos circuitos es más práctico utilizar una bomba de desplazamiento fijo y regular el caudal con una válvula reguladora de caudal. Existen tres métodos básicos para aplicar las válvulas reguladoras de caudal para controlar la velocidad del actuador ellas son: regulación a la entrada, regulación a la salida y regulación por substracción.

Figura 19

Figura 20

Válvula secuencial ajustable:

Figura 21

La válvula de la secuencial normalmente se localiza en la línea del suministro de un cilindro o en una rama de un circuito hidráulico que se aísla del circuito principal. Cuando la presión en el circuito principal alcanza la presión fija de la válvula de secuencial, abre y permite flujo de aceite al cilindro o a la rama del circuito. La válvula secuencial permite flujo de aceite en sólo una dirección. Su uso se limita por consiguiente a los lugares donde el aceite siempre
circula en la misma dirección.

Válvulas secuencial antirretorno:

Figura 22

Trabaja exactamente igual que la válvula secuencial ajustable con la diferencia que permite movimiento de fluido en ambas direcciones. En una de las direcciones trabaja sin control

DISTRIBUIDORES O VÁLVULAS DIRECCIONALES
También conocidas como válvulas direccionales, son esenciales para la creación de circuitos hidrostáticos capaces de efectuar las funciones más elementales. Su misión consiste en el desvío o en la confluencia del caudal de aceite según las exigencias de funcionamiento.
Figura 23

CILINDROS
Los cilindros constan de un cuerpo tubular al cual se hallan fijados dos cabezales. Por dentro del cuerpo tubular se desliza el pistón, que se prolonga mecánicamente por medio del vástago o caña. Al menos uno de los cabezales, está taladrado para permitir el paso del vástago. Por medio del pistón se desarrolla fuerza de empuje y de tracción, debido a la presión del líquido que actúa sobre una u otra de sus caras. Tales caras tienen una superficie útil que en general es distinta debido a la presencia del vástago en una de ellas. En el caso particular de cilindros de doble vástago con vástagos de igual sección, resultan también iguales las dos superficies útiles, y por tanto las velocidades en ambos sentidos de movimiento.

Las fugas de líquido entre pistón y la camisa del cilindro y entre el cabezal del cilindro y vástago se evitan por medio de juntas dinámicas, mientras que las fugas entre cabezales y camisa del cilindro, así como entre el pistón y su vástago, mediante juntas estáticas. Completan el cilindro los dispositivos de fijación necesarios para conseguir su unión a la estructura o a la máquina donde deben transmitirse los esfuerzos. Los cilindros se pueden clasificar en de simple efecto, en los cuales el aceite a presión actúa sobre una sola cámara del pistón y por tanto únicamente puede provocar el movimiento del pistón en un solo sentido, y es el propio peso del pistón, o bien un resorte o un contrapeso el que les hace retroceder, y en cilindros de doble efecto, llamados así porque el aceite a presión
puede entrar por una u otra de ambas caras del pistón y provocar en consecuencia su movimiento forzado en uno u otro sentido.

Actuadores hidráulicos:

El tipo de trabajo efectuado y la energía necesaria determinan las
características de los actuadores (motor o cilindro) que deben ser utilizados. Solamente
después de haber elegido el actuador pueden seleccionarse los restantes componentes del
sistema.

Cilindros:

Los cilindros son actuadores lineales. Los cilindros se clasifican como: Cilindros
de simple efecto o de doble efecto, cilindros diferenciales y no diferenciales.
1) Tapa posterior      2) Purgadores de aire     3) Tuerca de fijación    4) Junta dinámica        5) Pistón
6) Camisa o tubo      7) Vástago                      8) Purgadores de aire  9) Junta hermética     10) Tapa
11) Junta dinámica de cierre                         12) Anillo rascador       13) Cámara trasera
14) Orificio de aceite                                     15) Juntas herméticas  16) Cámara delantera
17) Orificio de Aceite