Las máquinas hidráulicas utilizan energía de fluido líquido para realizar el trabajo. Los vehículos de construcción pesada son un ejemplo común. En este tipo de máquina, el fluido hidráulico se bombea a varios motores hidráulicos y cilindros hidráulicos en toda la máquina y se presuriza según la resistencia presente. El fluido se controla directa o automáticamente mediante válvulas de control y se distribuye a través de mangueras, tubos o tuberías.
Los sistemas hidráulicos, al igual que los sistemas neumáticos , se basan en la ley de Pascal que establece que cualquier presión aplicada a un fluido dentro de un sistema cerrado transmitirá esa presión por igual a todas partes y en todas direcciones. Un sistema hidráulico utiliza un líquido incompresible como fluido, en lugar de un gas compresible.
La popularidad de la maquinaria hidráulica se debe a la gran cantidad de potencia que se puede transferir a través de pequeños tubos y mangueras flexibles, la alta densidad de potencia y una amplia gama de actuadores que pueden hacer uso de esta potencia, y la enorme multiplicación de fuerzas que se puede lograr aplicando presiones sobre áreas relativamente grandes. Una desventaja, en comparación con las máquinas que utilizan engranajes y ejes, es que cualquier transmisión de potencia produce algunas pérdidas debido a la resistencia del flujo de fluido a través de las tuberías.
Joseph Bramah patentó la prensa hidráulica en 1795. [1] Mientras trabajaba en la tienda de Bramah, Henry Maudslay sugirió un embalaje de cuero para tazas. [2] [ se necesita aclaración ] Debido a que produjo resultados superiores, la prensa hidráulica eventualmente desplazó al martillo de vapor para la forja de metales. [3]
Para suministrar energía a gran escala que no era práctica para las máquinas de vapor individuales, se desarrollaron sistemas hidráulicos de estaciones centrales. La energía hidráulica se utilizó para operar grúas y otras maquinarias en los puertos británicos y en otras partes de Europa. El sistema hidráulico más grande estaba en Londres. La energía hidráulica se utilizó ampliamente en la producción de acero de Bessemer . La energía hidráulica también se utilizó para ascensores, para operar esclusas de canales y secciones giratorias de puentes. [1] [3] Algunos de estos sistemas permanecieron en uso hasta bien entrado el siglo XX.
ASME llamó a Harry Franklin Vickers el "padre de la hidráulica industrial" . [ ¿ por qué? ]
Una característica fundamental de los sistemas hidráulicos es la capacidad de aplicar la multiplicación de fuerza o par de forma sencilla, independientemente de la distancia entre la entrada y la salida, sin necesidad de engranajes o palancas mecánicas, ya sea alterando las áreas efectivas en dos cilindros conectados o el desplazamiento efectivo (cc/rev) entre una bomba y un motor. En casos normales, las relaciones hidráulicas se combinan con una fuerza mecánica o una relación de par para diseños óptimos de máquinas, como movimientos de pluma y transmisiones de orugas para una excavadora.
El cilindro C1 tiene un radio de una pulgada y el cilindro C2 tiene un radio de diez pulgadas. Si la fuerza ejercida sobre C1 es 10 lbf , la fuerza ejercida por C2 es 1000 lbf porque C2 tiene un área cien veces mayor ( S = π r ²) que C1. La desventaja de esto es que tienes que mover C1 cien pulgadas para mover C2 una pulgada. El uso más común para esto es el gato hidráulico clásico , donde un cilindro de bombeo de pequeño diámetro se conecta al cilindro de elevación de gran diámetro.
Si una bomba rotativa hidráulica con un desplazamiento de 10 cc/rev se conecta a un motor rotativo hidráulico con 100 cc/rev, el par del eje requerido para accionar la bomba es una décima parte del par entonces disponible en el eje del motor, pero el eje La velocidad (rev/min) del motor también es solo una décima parte de la velocidad del eje de la bomba. Esta combinación es en realidad el mismo tipo de multiplicación de fuerza que en el ejemplo del cilindro, solo que la fuerza lineal en este caso es una fuerza rotatoria, definida como torque.
Ambos ejemplos suelen denominarse transmisión hidráulica o transmisión hidrostática que implica una determinada "relación de transmisión" hidráulica.
Un circuito hidráulico es un sistema que comprende un conjunto interconectado de componentes discretos que transportan líquido . El propósito de este sistema puede ser controlar dónde fluye el fluido (como en una red de tubos de refrigerante en un sistema termodinámico) o controlar la presión del fluido (como en los amplificadores hidráulicos). Por ejemplo, la maquinaria hidráulica utiliza circuitos hidráulicos (en los que el fluido hidráulico es empujado, bajo presión, a través de bombas hidráulicas , tuberías, tubos, mangueras, motores hidráulicos , cilindros hidráulicos , etc.) para mover cargas pesadas. El enfoque de describir un sistema de fluidos en términos de componentes discretos está inspirado en el éxito de la teoría de circuitos eléctricos . Así como la teoría de circuitos eléctricos funciona cuando los elementos son discretos y lineales, la teoría de circuitos hidráulicos funciona mejor cuando los elementos (componentes pasivos como tuberías o líneas de transmisión o componentes activos como unidades de energía o bombas ) son discretos y lineales. Esto generalmente significa que el análisis del circuito hidráulico funciona mejor para tubos largos y delgados con bombas discretas, como los que se encuentran en sistemas de flujo de procesos químicos o dispositivos de microescala. [4] [5] [6]
El circuito consta de los siguientes componentes:
Para que el fluido hidráulico funcione, debe fluir hacia el actuador y/o los motores y luego regresar a un depósito. Luego, el líquido se filtra y se vuelve a bombear. El recorrido que recorre el fluido hidráulico se denomina circuito hidráulico del que existen varios tipos.
Circuito abierto: la entrada de la bomba y el retorno del motor (a través de la válvula direccional) están conectados al tanque hidráulico. El término bucle se aplica a la retroalimentación; el término más correcto es "circuito" abierto versus cerrado. Los circuitos de centro abierto utilizan bombas que suministran un flujo continuo. El flujo regresa al tanque a través del centro abierto de la válvula de control; es decir, cuando la válvula de control está centrada, proporciona un camino de retorno abierto al tanque y el fluido no se bombea a alta presión. De lo contrario, si se acciona la válvula de control, dirige el fluido hacia y desde un actuador y un tanque. La presión del fluido aumentará para encontrar cualquier resistencia, ya que la bomba tiene un rendimiento constante. Si la presión aumenta demasiado, el líquido regresa al tanque a través de una válvula de alivio de presión. Se pueden apilar múltiples válvulas de control en serie. Este tipo de circuito puede utilizar bombas económicas de desplazamiento constante.
Circuito cerrado: el retorno del motor está conectado directamente a la entrada de la bomba. Para mantener la presión en el lado de baja presión, los circuitos tienen una bomba de carga (una pequeña bomba de engranajes) que suministra aceite enfriado y filtrado al lado de baja presión. Los circuitos de circuito cerrado se utilizan generalmente para transmisiones hidrostáticas en aplicaciones móviles. Ventajas: Sin válvula direccional y mejor respuesta, el circuito puede trabajar con mayor presión. El ángulo de giro de la bomba cubre tanto la dirección del flujo positivo como el negativo. Desventajas: La bomba no se puede utilizar para ninguna otra función hidráulica de forma sencilla y el enfriamiento puede ser un problema debido al intercambio limitado de flujo de aceite. Los sistemas de circuito cerrado de alta potencia generalmente deben tener una "válvula de descarga" montada en el circuito para intercambiar mucho más flujo que el flujo de fuga básico de la bomba y el motor, para aumentar el enfriamiento y el filtrado. La válvula de descarga normalmente está integrada en la carcasa del motor para obtener un efecto de enfriamiento del aceite que gira en la propia carcasa del motor. Las pérdidas en la carcasa del motor debido a los efectos de rotación y las pérdidas en los rodamientos de bolas pueden ser considerables ya que las velocidades del motor alcanzarán 4000-5000 rev/min o incluso más a la velocidad máxima del vehículo. El flujo de fuga y el flujo de lavado adicional deben ser suministrados por la bomba de carga. Por lo tanto, una bomba de carga grande es muy importante si la transmisión está diseñada para altas presiones y altas velocidades del motor. La alta temperatura del aceite suele ser un problema importante cuando se utilizan transmisiones hidrostáticas a altas velocidades del vehículo durante períodos prolongados, por ejemplo, al transportar la máquina de un lugar de trabajo a otro. Las altas temperaturas del aceite durante períodos prolongados reducirán drásticamente la vida útil de la transmisión. Para mantener baja la temperatura del aceite, se debe reducir la presión del sistema durante el transporte, lo que significa que la cilindrada mínima del motor debe limitarse a un valor razonable. Se recomienda una presión del circuito durante el transporte de entre 200 y 250 bar.
Los sistemas de circuito cerrado en equipos móviles se utilizan generalmente para la transmisión como alternativa a las transmisiones mecánicas e hidrodinámicas (convertidoras). La ventaja es una relación de transmisión continua (velocidad/par continuamente variable) y un control más flexible de la relación de transmisión dependiendo de la carga y las condiciones de funcionamiento. La transmisión hidrostática generalmente se limita a unos 200 kW de potencia máxima, ya que el coste total aumenta demasiado con una potencia mayor en comparación con una transmisión hidrodinámica. Por este motivo, las grandes cargadoras de ruedas y las máquinas pesadas suelen estar equipadas con transmisiones por convertidor. Los recientes logros técnicos de las transmisiones por convertidor han mejorado la eficiencia y los desarrollos en el software también han mejorado las características, por ejemplo, programas de cambio de marchas seleccionables durante el funcionamiento y más pasos de marcha, dándoles características cercanas a la transmisión hidrostática.
Las transmisiones hidrostáticas para máquinas de movimiento de tierras, como las cargadoras de orugas, suelen estar equipadas con un ' pedal de pulgadas ' independiente que se utiliza para aumentar temporalmente las rpm del motor diésel mientras se reduce la velocidad del vehículo a fin de aumentar la potencia hidráulica disponible para el trabajo. hidráulica a bajas velocidades y aumentar el esfuerzo de tracción. La función es similar a calar una caja de cambios convertidora a altas revoluciones del motor. La función de pulgada afecta las características preestablecidas para la relación de transmisión "hidrostática" versus las rpm del motor diesel.
Los circuitos de centro cerrado existen en dos configuraciones básicas, normalmente relacionadas con el regulador de la bomba variable que suministra el aceite:
Los sistemas de detección de carga (LS) generan menos pérdidas de energía ya que la bomba puede reducir tanto el flujo como la presión para cumplir con los requisitos de carga, pero requieren más ajustes que el sistema CP con respecto a la estabilidad del sistema. El sistema LS también requiere válvulas lógicas adicionales y válvulas compensadoras en las válvulas direccionales, por lo que es técnicamente más complejo y más caro que el sistema CP. El sistema LS genera una pérdida de potencia constante relacionada con la caída de presión de regulación del regulador de la bomba:
El promedio es de alrededor de 2 MPa (290 psi). Si el flujo de la bomba es alto, la pérdida adicional puede ser considerable. La pérdida de potencia también aumenta si las presiones de carga varían mucho. Las áreas de los cilindros, las cilindradas del motor y los brazos de torsión mecánicos deben diseñarse para adaptarse a la presión de carga para reducir las pérdidas de potencia. La presión de la bomba siempre es igual a la presión de carga máxima cuando se ejecutan varias funciones simultáneamente y la entrada de energía a la bomba es igual a (presión de carga máxima + Δ p LS ) x suma del flujo.
Técnicamente, el compensador montado aguas abajo en un bloque de válvulas puede montarse físicamente "aguas arriba", pero funciona como un compensador aguas abajo.
El tipo de sistema (3) ofrece la ventaja de que las funciones activadas se sincronizan independientemente de la capacidad de flujo de la bomba. La relación de flujo entre dos o más funciones activadas permanece independiente de las presiones de carga, incluso si la bomba alcanza el ángulo de giro máximo. Esta característica es importante para máquinas que a menudo funcionan con la bomba en el ángulo de giro máximo y con varias funciones activadas que deben sincronizarse en velocidad, como las excavadoras. En el sistema del tipo (4) tienen prioridad las funciones con compensadores anteriores , como por ejemplo la función de dirección en una cargadora de ruedas. Los tipos de sistemas con compensadores aguas abajo suelen tener una marca registrada única dependiendo del fabricante de las válvulas, por ejemplo "LSC" (Linde Hydraulics), "LUDV" ( Bosch Rexroth Hydraulics) y "Flowsharing" (Parker Hydraulics), etc. No Se ha establecido un nombre oficial estandarizado para este tipo de sistema, pero el uso compartido de flujo es un nombre común para él.
Las bombas hidráulicas suministran fluido a los componentes del sistema. La presión en el sistema se desarrolla como reacción a la carga. Por lo tanto, una bomba con capacidad de 5000 psi es capaz de mantener el flujo contra una carga de 5000 psi.
Las bombas tienen una densidad de potencia aproximadamente diez veces mayor que la de un motor eléctrico (en volumen). Están propulsados por un motor eléctrico o un motor, conectados a través de engranajes, correas o un acoplamiento elastomérico flexible para reducir la vibración.
Los tipos comunes de bombas hidráulicas para aplicaciones de maquinaria hidráulica son:
Las bombas de pistón son más caras que las bombas de engranajes o de paletas, pero ofrecen una vida útil más larga funcionando a mayor presión, con fluidos difíciles y ciclos de trabajo continuos más prolongados. Las bombas de pistón constituyen la mitad de una transmisión hidrostática .
Las válvulas de control direccional dirigen el fluido al actuador deseado. Suelen consistir en una bobina dentro de una carcasa de hierro fundido o acero . El carrete se desliza a diferentes posiciones en la carcasa y las ranuras y canales que se cruzan dirigen el fluido según la posición del carrete.
El carrete tiene una posición central (neutral) mantenida con resortes; en esta posición el fluido de suministro se bloquea o se devuelve al tanque. Deslizar el carrete hacia un lado dirige el fluido hidráulico a un actuador y proporciona una ruta de retorno desde el actuador al tanque. Cuando el carrete se mueve en la dirección opuesta, se cambian las rutas de suministro y retorno. Cuando se permite que el carrete regrese a la posición neutral (centro), las rutas de fluido del actuador se bloquean, bloqueándolo en su posición.
Las válvulas de control direccional generalmente están diseñadas para ser apilables, con una válvula para cada cilindro hidráulico y una entrada de fluido que suministra todas las válvulas de la pila.
Las tolerancias son muy estrictas para soportar la alta presión y evitar fugas; los carretes suelen tener un espacio libre con la carcasa de menos de una milésima de pulgada (25 µm). El bloque de válvulas se montará en el bastidor de la máquina con un patrón de tres puntos para evitar distorsionar el bloque de válvulas y atascar los componentes sensibles de la válvula.
La posición del carrete puede ser accionada por palancas mecánicas, presión piloto hidráulica o solenoides que empujan el carrete hacia la izquierda o hacia la derecha. Un sello permite que parte del carrete sobresalga fuera de la carcasa, donde es accesible para el actuador.
El bloque de válvulas principal suele ser una pila de válvulas de control direccional disponibles en el mercado , elegidas según la capacidad de flujo y el rendimiento. Algunas válvulas están diseñadas para ser proporcionales (caudal proporcional a la posición de la válvula), mientras que otras pueden ser simplemente de apertura y cierre. La válvula de control es una de las partes más caras y sensibles de un circuito hidráulico.
El depósito de fluido hidráulico retiene el exceso de fluido hidráulico para adaptarse a los cambios de volumen causados por: extensión y contracción del cilindro, expansión y contracción impulsadas por la temperatura y fugas. El depósito también está diseñado para ayudar a separar el aire del fluido y también funciona como acumulador de calor para cubrir las pérdidas en el sistema cuando se utiliza la potencia máxima. Los depósitos también pueden ayudar a separar la suciedad y otras partículas del aceite, ya que las partículas generalmente se depositan en el fondo del tanque. Algunos diseños incluyen canales de flujo dinámico en la ruta de retorno del fluido que permiten un depósito más pequeño.
Los acumuladores son una parte común de la maquinaria hidráulica. Su función es almacenar energía mediante el uso de gas a presión. Un tipo es un tubo con pistón flotante. De un lado del pistón hay una carga de gas a presión y del otro lado está el fluido. Las vejigas se utilizan en otros diseños. Los depósitos almacenan el fluido de un sistema.
Ejemplos de usos del acumulador son la energía de respaldo para la dirección o los frenos, o para actuar como amortiguador del circuito hidráulico.
También conocido como fluido de tractor , el fluido hidráulico es la vida útil del circuito hidráulico. Suele ser aceite de petróleo con diversos aditivos. Algunas máquinas hidráulicas requieren fluidos resistentes al fuego, según sus aplicaciones. En algunas fábricas donde se preparan alimentos, se utiliza agua o aceite comestible como fluido de trabajo por razones de salud y seguridad.
Además de transferir energía, el fluido hidráulico necesita lubricar componentes, suspender contaminantes y virutas metálicas para transportarlos al filtro y funcionar bien a varios cientos de grados Fahrenheit o Celsius.
Los filtros son una parte importante de los sistemas hidráulicos que eliminan las partículas no deseadas del fluido. Los componentes mecánicos producen continuamente partículas metálicas que deben eliminarse junto con otros contaminantes.
Los filtros se pueden colocar en muchos lugares. El filtro puede estar ubicado entre el depósito y la entrada de la bomba. El bloqueo del filtro provocará cavitación y posiblemente fallo de la bomba. A veces, el filtro está ubicado entre la bomba y las válvulas de control. Esta disposición es más costosa, ya que la carcasa del filtro está presurizada, pero elimina los problemas de cavitación y protege la válvula de control contra fallas de la bomba. La tercera ubicación común del filtro es justo antes de que la línea de retorno ingrese al depósito. Esta ubicación es relativamente insensible al bloqueo y no requiere una carcasa presurizada, pero los contaminantes que ingresan al depósito desde fuentes externas no se filtran hasta que pasan por el sistema al menos una vez. Los filtros se utilizan desde 7 micrones hasta 15 micrones, dependiendo del grado de viscosidad del aceite hidráulico.
Los tubos hidráulicos son tubos de precisión de acero sin costura, fabricados especialmente para hidráulica. Los tubos tienen tamaños estándar para diferentes rangos de presión, con diámetros estándar de hasta 100 mm. Los tubos son suministrados por el fabricante en longitudes de 6 m, limpios, engrasados y tapados. Los tubos están interconectados mediante diferentes tipos de bridas (especialmente para los tamaños y presiones más grandes), conos/niples de soldadura (con junta tórica), varios tipos de conexión abocardada y mediante anillos de corte. En tamaños mayores se utilizan tuberías hidráulicas. No es aceptable la unión directa de tubos mediante soldadura ya que no se puede inspeccionar el interior.
La tubería hidráulica se utiliza en caso de que no haya tubos hidráulicos estándar disponibles. Generalmente se utilizan para baja presión. Se pueden conectar mediante conexiones roscadas, pero normalmente mediante soldaduras. Debido a los diámetros más grandes, la tubería normalmente se puede inspeccionar internamente después de soldar. El tubo negro no está galvanizado y es apto para soldar .
La manguera hidráulica se clasifica según la presión, la temperatura y la compatibilidad de fluidos. Las mangueras se utilizan cuando no se pueden utilizar tuberías o tubos, generalmente para brindar flexibilidad para la operación o el mantenimiento de la máquina. La manguera está formada por capas de caucho y acero. Un interior de caucho está rodeado por múltiples capas de alambre tejido y caucho. El exterior está diseñado para resistir la abrasión. El radio de curvatura de la manguera hidráulica está cuidadosamente diseñado en la máquina, ya que las fallas de la manguera pueden ser mortales y violar el radio de curvatura mínimo de la manguera provocará fallas. Las mangueras hidráulicas generalmente tienen accesorios de acero estampados en los extremos. La parte más débil de la manguera de alta presión es la conexión de la manguera al racor. Otra desventaja de las mangueras es la vida más corta del caucho, que requiere reemplazo periódico, generalmente a intervalos de cinco a siete años.
Los tubos y tuberías para aplicaciones hidráulicas se lubrican internamente antes de poner en servicio el sistema. Por lo general, las tuberías de acero se pintan por fuera. Cuando se utilizan acoplamientos abocardados y de otro tipo, la pintura se retira debajo de la tuerca y es un lugar donde puede comenzar la corrosión. Por este motivo, en aplicaciones marinas la mayoría de las tuberías son de acero inoxidable.
Los componentes de un sistema hidráulico [fuentes (por ejemplo, bombas), controles (por ejemplo, válvulas) y actuadores (por ejemplo, cilindros)] necesitan conexiones que contendrán y dirigirán el fluido hidráulico sin fugas ni pérdida de presión que los hace funcionar. En algunos casos, los componentes se pueden atornillar con conductos de fluido incorporados. Sin embargo, en la mayoría de los casos se utilizan tubos rígidos o mangueras flexibles para dirigir el flujo de un componente al siguiente. Cada componente tiene puntos de entrada y salida para el fluido involucrado (llamados puertos) dimensionados según la cantidad de fluido que se espera que pase a través de él.
Se utilizan varios métodos estandarizados para conectar la manguera o el tubo al componente. Algunos están pensados para facilitar el uso y el servicio, otros son mejores para presiones más altas del sistema o control de fugas. El método más común, en general, es proporcionar en cada componente un puerto con rosca hembra, en cada manguera o tubo una tuerca cautiva con rosca hembra y utilizar un adaptador separado con roscas macho correspondientes para conectar los dos. Es funcional, económico de fabricar y fácil de mantener.
Los accesorios sirven para varios propósitos;
Una típica pieza de maquinaria o equipo pesado puede tener miles de puntos de conexión sellados y de varios tipos diferentes:
Los sellos elastoméricos (junta tórica y sello frontal) son los tipos más comunes de sellos en equipos pesados y son capaces de sellar de manera confiable más de 6000 psi (41 MPa ) de presión de fluido.
