Las máquinas hidráulicas utilizan la energía de un fluido líquido para realizar su trabajo. Un ejemplo común son los vehículos de construcción pesada . En este tipo de máquinas, el fluido hidráulico se bombea a varios motores hidráulicos y cilindros hidráulicos en toda la máquina y se presuriza de acuerdo con la resistencia presente. El fluido se controla de forma directa o automática mediante válvulas de control y se distribuye a través de mangueras, tubos o cañerías.
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 las 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 al aplicar presiones sobre áreas relativamente grandes. Una desventaja, en comparación con las máquinas que utilizan engranajes y ejes, es que cualquier transmisión de potencia da como resultado algunas pérdidas debido a la resistencia del flujo de fluido a través de la tubería.
Joseph Bramah patentó la prensa hidráulica en 1795. [1] Mientras trabajaba en el taller de Bramah, Henry Maudslay sugirió un empaque de cuero en forma de taza. [2] [ aclaración necesaria ] Debido a que producía 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 posible para las máquinas de vapor individuales, se desarrollaron sistemas hidráulicos de estación central. La energía hidráulica se utilizó para operar grúas y otra maquinaria 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 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 siguieron utilizándose hasta bien entrado el siglo XX.
Harry Franklin Vickers fue llamado el "Padre de la Hidráulica Industrial" por ASME . [ ¿Por qué? ]
Una característica fundamental de los sistemas hidráulicos es la capacidad de aplicar fuerza o multiplicación de par de forma sencilla, independientemente de la distancia entre la entrada y la salida, sin necesidad de engranajes mecánicos ni palancas, 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 relación de fuerza o par mecánico 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 de 10 lbf , la fuerza ejercida por C2 es de 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 con un diámetro pequeño está conectado al cilindro de elevación con un diámetro grande.
Si se conecta una bomba rotativa hidráulica con una cilindrada de 10 cc/rev a un motor rotativo hidráulico de 100 cc/rev, el par en el eje necesario para accionar la bomba es una décima parte del par disponible en ese momento en el eje del motor, pero la velocidad del eje (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 el ejemplo del cilindro, solo que la fuerza lineal en este caso es una fuerza rotativa, definida como par.
A ambos ejemplos se los suele denominar 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 hacia 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 se empuja el fluido hidráulico , 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 fluido 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 paquetes de energía o bombas ) son discretos y lineales. Esto generalmente significa que el análisis de circuitos hidráulicos funciona mejor para tubos largos y delgados con bombas discretas, como se encuentran en los sistemas de flujo de procesos químicos o dispositivos a microescala. [4] [5] [6]
El circuito consta de los siguientes componentes:
Para que el fluido hidráulico realice su trabajo, debe fluir hacia el actuador y/o los motores y luego regresar a un depósito. Luego, el fluido se filtra y se vuelve a bombear. El camino que sigue el fluido hidráulico se denomina circuito hidráulico , del cual 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 circuito se aplica a la retroalimentación; el término más correcto es "circuito abierto" en lugar de "circuito 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 una ruta de retorno abierta al tanque y el fluido no se bombea a alta presión. De lo contrario, si se activa la válvula de control, dirige el fluido hacia y desde un actuador y el tanque. La presión del fluido aumentará para encontrar cualquier resistencia, ya que la bomba tiene una salida constante. Si la presión aumenta demasiado, el fluido regresa al tanque a través de una válvula de alivio de presión. Se pueden apilar varias válvulas de control en serie. Este tipo de circuito puede utilizar bombas de desplazamiento constante económicas.
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 funcionar con mayor presión. El ángulo de giro de la bomba cubre tanto la dirección de flujo positiva como la negativa. Desventajas: La bomba no se puede utilizar para ninguna otra función hidráulica de manera sencilla y la refrigeración puede ser un problema debido al intercambio limitado del flujo de aceite. Los sistemas de circuito cerrado de alta potencia generalmente deben tener una "válvula de descarga" ensamblada en el circuito para intercambiar mucho más flujo que el flujo de fuga básico de la bomba y el motor, para aumentar la refrigeración y el filtrado. La válvula de descarga normalmente está integrada en la carcasa del motor para obtener un efecto de refrigeración para el aceite que gira en la propia carcasa del motor. Las pérdidas en la carcasa del motor por los efectos de rotación y las pérdidas en los cojinetes 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 caudal de fuga, así como el caudal de descarga 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 temperatura alta 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, la presión del sistema durante el transporte debe reducirse, lo que significa que el desplazamiento mínimo del motor debe limitarse a un valor razonable. Se recomienda una presión del circuito durante el transporte de alrededor de 200-250 bar.
En los equipos móviles, los sistemas de circuito cerrado se utilizan generalmente como alternativa a las transmisiones mecánicas e hidrodinámicas (convertidores). La ventaja es una relación de transmisión continua (velocidad/par de torsión continuamente variables) y un control más flexible de la relación de transmisión en función de la carga y las condiciones de funcionamiento. La transmisión hidrostática se limita generalmente a una potencia máxima de unos 200 kW, ya que el coste total es demasiado alto en comparación con una transmisión hidrodinámica. Por ello, las grandes cargadoras sobre ruedas y las máquinas pesadas suelen estar equipadas con transmisiones con convertidores. Los recientes avances técnicos en materia de transmisiones con convertidores han mejorado la eficiencia y los avances en el software también han mejorado las características, por ejemplo, los programas de cambio de marchas seleccionables durante el funcionamiento y más pasos de marcha, lo que les confiere características cercanas a la transmisión hidrostática.
Las transmisiones hidrostáticas para máquinas de movimiento de tierras, como las cargadoras de cadenas, suelen estar equipadas con un " pedal de avance lento " independiente que se utiliza para aumentar temporalmente las rpm del motor diésel mientras se reduce la velocidad del vehículo con el fin de aumentar la potencia hidráulica disponible para el sistema hidráulico de trabajo a bajas velocidades y aumentar el esfuerzo de tracción. La función es similar a la de calar una caja de cambios de convertidor a altas rpm del motor. La función de avance lento afecta las características preestablecidas para la relación de transmisión "hidrostática" en función de las rpm del motor diésel.
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 potencia, ya que la bomba puede reducir tanto el caudal como la presión para adaptarse a los requisitos de carga, pero requieren un mayor ajuste 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 costoso 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 caudal 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, los desplazamientos del motor y los brazos de torsión mecánicos deben diseñarse para que coincidan con la presión de carga a fin de 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 potencia a la bomba es igual a (presión de carga máxima + Δ p LS ) x suma del caudal.
Técnicamente, el compensador montado aguas abajo en un bloque de válvulas se puede montar físicamente "aguas arriba", pero funcionar 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 caudal de la bomba. La relación de caudal 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. Con el sistema de tipo (4), las funciones con compensadores aguas arriba tienen prioridad, por ejemplo, la función de dirección para una cargadora de ruedas. El tipo de sistema con compensadores aguas abajo suele tener una marca registrada única según el 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 nombre común es "flowsharing".
Las bombas hidráulicas suministran fluido a los componentes del sistema. La presión en el sistema se desarrolla en reacción a la carga. Por lo tanto, una bomba con capacidad nominal 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 términos de volumen). Están accionadas por un motor eléctrico o un motor de combustión interna, 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 prolongada al operar 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 hacia el actuador deseado. Por lo general, consisten en un carrete 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 entrecruzan dirigen el fluido según la posición del carrete.
El carrete tiene una posición central (neutral) que se mantiene con resortes; en esta posición, el fluido de suministro se bloquea o se devuelve al tanque. Al deslizar el carrete hacia un lado, se dirige el fluido hidráulico hacia un actuador y se proporciona una ruta de retorno desde el actuador hasta el tanque. Cuando el carrete se mueve en la dirección opuesta, se intercambian las rutas de suministro y retorno. Cuando se permite que el carrete regrese a la posición neutra (central), las rutas de fluido del actuador se bloquean, lo que lo fija 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 alimenta todas las válvulas de la pila.
Las tolerancias son muy estrictas para poder soportar la alta presión y evitar fugas; los carretes suelen tener una holgura 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 deformarlo 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 la derecha. Un sello permite que parte del carrete sobresalga de la carcasa, donde es accesible para el actuador.
El bloque de válvulas principal suele ser una pila de válvulas de control direccional estándar elegidas por capacidad de caudal y rendimiento. Algunas válvulas están diseñadas para ser proporcionales (caudal proporcional a la posición de la válvula), mientras que otras pueden ser simplemente de encendido y apagado. La válvula de control es una de las piezas más caras y sensibles de un circuito hidráulico.
El depósito de fluido hidráulico contiene el exceso de fluido hidráulico para adaptarse a los cambios de volumen provocados por: la extensión y contracción del cilindro, la expansión y contracción impulsadas por la temperatura y las 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 presurizado. Un tipo es un tubo con un pistón flotante. En un lado del pistón hay una carga de gas presurizado y en el otro lado está el fluido. En otros diseños se utilizan vejigas. Los depósitos almacenan el fluido de un sistema.
Algunos ejemplos de usos del acumulador son la energía de reserva para la dirección o los frenos, o para actuar como amortiguador del circuito hidráulico.
También conocido como fluido para tractores , el fluido hidráulico es el elemento vital 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 como fluido de trabajo un aceite comestible o agua por razones de salud y seguridad.
Además de transferir energía, el fluido hidráulico necesita lubricar componentes, suspender contaminantes y limaduras de metal para su transporte 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. [8]
Los filtros se pueden colocar en muchas ubicaciones. El filtro puede estar ubicado entre el depósito y la entrada de la bomba. El bloqueo del filtro provocará cavitación y posiblemente falla de la bomba. A veces, el filtro se ubica entre la bomba y las válvulas de control. [9] 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 de 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 de 7 micrones a 15 micrones, según el 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 fabricantes suministran los tubos en longitudes de 6 m, limpios, engrasados y taponados. Los tubos están interconectados por diferentes tipos de bridas (especialmente para los tamaños y presiones más grandes), conos/boquillas para soldadura (con junta tórica), varios tipos de conexión abocardada y por anillos de corte. En tamaños más grandes, se utilizan tubos hidráulicos. La unión directa de tubos mediante soldadura no es aceptable ya que el interior no se puede inspeccionar.
La tubería hidráulica se utiliza en caso de que no se disponga de tubos hidráulicos estándar. 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 la soldadura. La tubería negra no está galvanizada y es adecuada para soldar .
Las mangueras hidráulicas se clasifican según la presión, la temperatura y la compatibilidad con los fluidos. Las mangueras se utilizan cuando no se pueden utilizar tuberías o tubos, normalmente para proporcionar flexibilidad para el funcionamiento o el mantenimiento de la máquina. La manguera está formada por capas de caucho y acero. Un interior de caucho está rodeado por varias capas de alambre tejido y caucho. El exterior está diseñado para resistir la abrasión. El radio de curvatura de la manguera hidráulica se diseña cuidadosamente en la máquina, ya que las fallas de la manguera pueden ser mortales y violar el radio de curvatura mínimo de la manguera provocará una falla. 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 accesorio. Otra desventaja de las mangueras es la vida útil más corta del caucho, que requiere un reemplazo periódico, generalmente en intervalos de cinco a siete años.
Los tubos y conductos para aplicaciones hidráulicas se engrasan internamente antes de poner en funcionamiento 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 elimina 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 contengan y dirijan el fluido hidráulico sin fugas ni pérdida de la presión que los hace funcionar. En algunos casos, los componentes se pueden atornillar entre sí con conductos de fluido integrados. 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 de acuerdo con la cantidad de fluido que se espera que pase a través de él.
Existen varios métodos estandarizados para conectar la manguera o el tubo al componente. Algunos están pensados para facilitar su uso y mantenimiento, otros son mejores para presiones más altas del sistema o para controlar las 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 independiente con roscas macho correspondientes para conectar los dos. Esto es funcional, económico de fabricar y fácil de mantener.
Los accesorios cumplen varias funciones:
Una maquinaria o equipo pesado típico puede tener miles de puntos de conexión sellados y de varios tipos diferentes:
Los sellos elastoméricos (junta tórica y sello frontal) son los tipos de sellos más comunes en equipos pesados y son capaces de sellar de manera confiable más de 6000 psi (41 MPa ) de presión de fluido.
