Fundamentos de Hidraulica Manual

CAPÍTULO 1

GENERALIDADES DE LA OLEOHIDRÁULICA

1.1 INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS OLEOHIDRÁULICOS

La fuerza para levantar... para empujar. La fuerza para mover montañas, o construirlas. En el mundo del equipo de construcción y de manejo de materiales, la potencia que hace el trabajo es la oleohidráulica. No fue hasta la década del cincuenta que se empezó a usar la oleohidráulica, en forma generalizada en equipos pesados.

El gran desarrollo experimentado por la oleohidráulica en la industria moderna se debe, sin duda alguna, a las características que posee este medio de transmisión energética, ya que los sistemas manipulados por este medio son versátiles, de implantación simple, silenciosos y de control sencillo tanto de la fuerza, como de los torques de giro y de la velocidad de los mecanismos que componen las máquinas.

Las elevadas presiones de trabajo que se consiguen permiten transmitir grandes esfuerzos o torques de rotación a través de actuadores lineales concebidos para este fin, como los cilindros o motores oleohidráulicos. Todo ello con el empleo de distribuidores o electroválvulas accionadas por pequeños esfuerzos cuando el manejo es manual, o mediante el accionamiento electromagnético cuando se trata sistemas que poseen ya un cierto grado de automatización.

APUNTE FUNDAMENTOS DE HIDRÁULICA PÁGINA 1

Esta clase de fuerza se ha vuelto esencial para la operación de virtualmente cada máquina pesada. Cilindros de todo tipo y tamaño dan vida a los cucharones, hojas, retroexcavadoras y plataformas de camión. Los motores hidráulicos impulsan cadenas, ruedas, carrocerías y transportadores. Los sistemas de frenos, de dirección, las transmisiones, las suspensiones y una cantidad de otros sistemas vehiculares se valen de la hidráulica para obtener fuerza y control.

1.2 CARACTERÍSTICAS DE LOS SISTEMAS OLEOHIDRÁULICOS

La oleohidráulica constituye hoy en día el complemento ideal de la mecánica habitual en numerosos procesos industriales modernos. Durante años dichos procesos han sido resueltos mediante el empleo de la mecánica tradicional donde, con frecuencia, y de forma muy ingeniosa a veces, el movimiento rotatorio de un motor eléctrico convencional se ha transformado en otro movimiento rotatorio más lento, pero con mayor torque disponible, en un movimiento lineal continuo o discontinuo o en un movimiento combinado complejo en cualquier dirección.

Los procedimientos mecánicos para estos desplazamientos y giros siguen empleándose en muchos casos, ya que es insustituibles en determinadas operaciones industriales, pero con la incorporación relativamente reciente de estas tecnologías se han conseguido simplificar mucho las máquinas y mecanismos haciendo más sencillos los movimientos y permitiendo a la vez obtener de forma más sencilla cualquier nivel de automatización.


De entre las ventajas que ofrecen los sistemas oleohidráulicos, aplicados a soluciones mecánicas, pueden destacarse las siguientes:

Movimientos suaves, silenciosos y libres de vibración.

Posibilidad de invertir fácilmente el sentido de la marcha.

Regulación sencilla de las velocidades de trabajo.

Control simple de fuerzas y torques en cilindros y motores oleohidráulicos.

Posibilidad de conseguir arranques y paradas progresivas en los movimientos.

Fácil protección contra las sobrecargas. Auto lubricación de todos los

componentes.

Pero ya que se han enumerado algunas de las ventajas es válido mencionar algunos de los inconvenientes que se presentan frente a las transmisiones mecánicas:

Para generar la presión y el caudal necesario es preciso disponer de una central hidráulica dotada de un motor de accionamiento y una bomba, además de otros componentes auxiliares.

Se originan a veces ciertas pérdidas de energía al paso del aceite a través de los componentes y por los racores de unión de las tuberías.

En la puesta en marcha de los sistemas oleohidráulicos, es preciso una purga pre-

via de las burbujas de aire que contiene el circuito.


CAPÍTULO 2

PRINCIPIOS DE LA OLEOHIDRÁULICA

2.1 CONCEPTO DE PRESIÓN. LEY DE PASCAL

Si un fluido confinado es sometido a una fuerza externa, al interior de él se creará una presión, que es igual en todos los puntos y direcciones. Esta presión es directamente proporcional a la fuerza externa e inversamente proporcional al área sobre la cual se aplica dicha fuerza.

A partir de la definición dada por la Ley de Pascal, es posible determinar matemá-ticamente el valor de la presión, a través de la siguiente ecuación:

(2.1)

Donde:P = PresiónF = FuerzaA = Área

En unidades coherentes con el Sistema Internacional (S.I.), la presión de mide de la siguiente manera:

Pascal (Pa)

1 bar = 100.000 Pa1 bar = 100 KPa

1 bar = 0,1 MPa


En unidades coherentes con el Sistema Inglés, la presión de mide de la siguiente manera:

P.S.I.

1 bar = 14,5 psi

Las presiones se clasifican en dos grupos: presiones absolutas y relativas. Las presiones absolutas son aquellas que se miden con respecto al vacío absoluto, por lo cual son siempre positivas. Por otra parte, las presiones relativas se miden con respecto a la presión atmosférica local, lo cual implica dos opciones: presiones manométricas (por sobre la atmosférica) y presiones vacuométricas (por debajo de la atmosférica).

En oleohidráulica, cuando se alude al término presión, normalmente se refiere a la presión manométrica. Es por esta razón que el instrumento para medir la presión se denomina manómetro.

Es posible determinar las fuerzas (cargas) de empuje y tracción asociadas al comporta-miento de un cilindro, en función de la presión disponible al interior del sistema y las características geométricas del actuador. La fuerza es proporcional a la presión y a la superficie sobre la cual se aplica dicha presión. Es por esta razón que la fuerza de empuje siempre es mayor que la fuerza de tracción.


MANÓMETRO

EJEMPLO DE APLICACIÓN

La presión máxima de un sistema hidráulico es de 80 bar. Si el diámetro del cilindro es de 4” y el diámetro del vástago es de 2”, determinar:

a.- La fuerza de empuje del cilindro (avance), en Newton.b.- La fuerza de tracción del cilindro (retroceso), en Newton.


2.2 CONCEPTO DE CAUDAL

El caudal se define como el volumen de aceite que pasa por una referencia en un determinado lapso de tiempo. A partir de esta definición es posible determinar matemá-ticamente el valor del caudal, a través de la siguiente ecuación:

(2.2)

Donde:Q = Caudal = VolumenT = Tiempo

En unidades coherentes con el Sistema Internacional (S.I.), el caudal de mide de la siguiente manera:

1 m3 = 1.000 litros1 litro = 1.000 cm3

En unidades coherentes con el Sistema Inglés, el caudal de mide de la siguiente manera:

1 Gal = 3,785 litros


Además, es posible expresar el caudal de aceite que pasa por el interior de una tubería, en función de la velocidad del flujo y la sección transversal del conducto, a través de la siguiente ecuación:

Q = V x A (2.3)

Donde:Q = CaudalV = VelocidadA = Área

EJEMPLOS DE APLICACIÓN

El caudal de aceite que proporciona la bomba de un sistema hidráulico es de 60 LPM. Si el diámetro del cilindro es de 4” y el diámetro del vástago es de 2”, determinar:

a.- La velocidad de salida del vástago del cilindro (m/s).b.- La velocidad de entrada del vástago del cilindro (m/s).

A través de una tubería de 1 ¼” de diámetro interior, circula un caudal de aceite de 16 GPM. Determinar la velocidad del flujo de aceite, en (m/s).

La velocidad del aceite al interior de una tubería es de 1 m/s. Si el caudal de aceite que circula a través del ducto es de 80 LPM, determinar el diámetro comercial de la tubería, en pulgadas.


CAPÍTULO 3

COMPONENTES DEL SISTEMA Y ACEITE HIDRAÚLICO

3.1 DESCRIPCION DE LOS COMPONENTES DE UN SISTEMA HIDRAULICO

En esta lección, aprenderá los componentes hidráulicos básicos y cómo opera el sistema. Este diagrama representa un sistema hidráulico básico.

Recuerden que las líneas hidráulicas son de colores diferentes. El rojo, el azul y el verde representan diferentes presiones dentro del sistema. Los componentes del sistema más comunes son:

1.- Fluido.2.- Tanque.3.- Filtro.4.- Bomba.5.- Válvula de control.6.- Accionador.7.- Tuberías.8.- Válvula de alivio.9.- Enfriador.

Fluido: En un sistema hidráulico lo que transmite energía es el fluido. Esto es posible porque los líquidos son virtualmente incompresibles. A medida que se bombea fluido por todo el sistema se ejerce la misma presión en todas las superficies.

Como los líquidos se adaptan a cualquier forma, el fluido hidráulico puede fluir en cualquier dirección y hacia todos los conductos abiertos.

El aceite es el fluido más comúnmente utilizadoen los sistemas hidráulicos de maquinaria.


Tanque: Las funciones de un tanque hidráulicos son:

almacenar aceite. enfriar aceite. permitir que el aire se separe del aceite. permitir que el agua se separe del aceite. permitir que se asienten las partículas.

Filtro: Los filtros retienen los contaminantes del fluido hidráulico. De esta forma se evita que los componentes sufran daños y se asegura el funcionamiento correcto del sistema. La ubicación y los tipos de filtros varían.

Bomba: La bomba convierte la energía mecánica en energía hidráulica en forma de flujo. La impulsa una fuente externa de energía.

Válvula de Control: La válvula de control direccional determina el curso que recorre el fluido por todo el sistema. Este es el medio que emplea el operador para controlar la máquina.


Accionador: El accionador convierte la energía hidráulica en energía mecánica para realizar trabajo.

Los cilindros producen un movimiento lineal utilizado para operar cucharones, hojas, plumas y otros implementos.

Los motores hidráulicos producen un movimiento rotativo utilizado para el sistemamotriz, el de dirección y otros sistemas de los vehículos.

Tuberías: Las tuberías son mangueras o tubos por los cuales se mueve el fluido. Las mangueras flexibles permiten el movimiento, absorben la vibración, reducen el ruido y son fáciles de tender y conectar.

Las tuberías proporcionan conexiones más rígidas, tendido compacto y una mejor disipación del calor.

Válvula de Alivio: La válvula de alivio (válvula de control de presión) limita la presión del sistema. La válvula se abre si la presión supera un límite preestablecido.

Enfriador: El enfriador elimina el calor del fluido hidráulico, lo que aumenta la vida útil de los componentes del sistema.


3.2 PROPIEDADES DE LOS ACEITES Y ADITIVOS

El aceite hidráulico es el componente clave de cualquier sistema hidráulico. Es el medio por el cual se transmite la energía en todo el sistema. Ciertas propiedades del aceite determinan cómo cumplen su función.

Las principales funciones del aceite hidráulico son:

transmitir la energía por todo el sistema. proporcionar lubricación a las partes mó- viles. proteger los componentes contra el desgaste y la corrosión. alejar el calor de los componentes.

Una de las propiedades más críticas del aceite es la viscosidad, es decir, la resistencia que opone el aceite a fluir. La viscosidad está directamente relacionada a la buena protección y lubricación que el aceite brinda a los componentes.

El aceite de alta viscosidad puede producir operación lenta y podría requerir potencia adicional. La viscosidad baja puede disminuir la capacidad de lubricar del fluido y produceun rápido desgaste de los componentes. También aumenta la posibilidad de fuga.

La temperatura puede afectar a la viscosidad del aceite, por lo cual es importante utilizar el grado adecuado del aceite para una determinada máquina o clima. Siempre se debe remitir al Manual de Operación y Mantenimiento para determinar el aceite recomendado.


Los aditivos se utilizan para controlar la viscosidad y otras características importantes del aceite hidráulico. Además, se usan para reducir el desgaste, aumentar la estabilidad química, inhibir la corrosión y oxidación, mantener limpios los conductos y suspender las partículas hasta que lleguen al filtro.

3.3 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DEL ACEITE HIDRÁULICO

MOBIL HYDRAULIC AW Aceites Hidráulicos Antidesgaste

CARACTERÍSTICAS TÍPICAS

Mobil Hydraulic AW Método de Prueba 32 46 68

Gravedad Específica ASTM D – 1298 0,87 0,88 0,88

Viscosidad, cSt @ 40°C ASTM D – 445 32 46 68

cSt @ 100°C ASTM D – 445 5,4 6,7 8,5

Grado ISO VG ASTM D – 2422 32 46 68

Índice de viscosidad ASTM D – 2270 95 95 95

Punto mínimo de fluidez, °C ASTM D – 97 - 29 - 29 - 29

Punto de inflamación, °C ASTM D – 92 220 222 234

TAN ASTM D – 664 1 1 1

Color ASTM D – 1500 2,0 2,0 2,0


CAPÍTULO 4

BOMBAS Y ACTUADORES HIDRÁULICOS

4.1 PRINCIPIOS DE LA CONVERSIÓN DE ENERGÍA

Para poder generar trabajo útil, un sistema hidráulico debe poder convertir y controlar la energía a medida que fluye de un componente al siguiente. La siguiente imagen representa los puntos clave de conversión y de control en el sistema.

Un sistema hidráulico debe recibir energía proveniente de alguna fuente. Esta, por los general, viene en forma de energía mecánica rotatoria procedente de un motor o del tren de engranajes de un vehículo.

La bomba hidráulica convierte la energía mecánica en energía hidráulica, en forma de caudal.

Las válvulas controlan la transferencia de energía hidráulica en el sistema, al controlar el caudal del aceite y la dirección en que fluye.

El accionador convierte la energía hidráulica en energía mecánica en forma de movimiento, lineal o rotatoria. Esta energía se utiliza para realizar trabajo.


4.2 BOMBAS HIDRÁULICAS

Las bombas hidráulicas convierten la energía mecánica en energía hidráulica, en forma de flujo de fluido. Cuando el fluido hidráulico encuentra alguna resistencia, se crea la presión.

Aunque las bombas hidráulicas no generan directamente la presión, deben diseñarse para soportar los requisitos de presión del sistema.

A continuación se presentan algunos términos que se utilizan frecuentemente para referirse a los diferentes tipos de bombas:

de caudal positivo sin fluctuaciones. de caudal fijo. de caudal variable. de presión compensada. de doble dirección.

Las bombas de caudal positivo son aquellas que siempre generan flujo cuando están funcionando. La mayoría de las bombas utilizadas en maquinaria son de este tipo. Las bombas de caudal fijo son las que mueven un volumen constante de fluido en cada revolución de ésta. Por otra parte, las bombas de caudal variable pueden ajustar el volumen de fluido que se impele durante cada revolución.

Las bombas de presión compensada son de caudal variable equipados con un dispositivo de control que ajusta la salida de la bombas para mantener la presión deseada en el sistema. Las bombas bidireccionales son reversibles y se accionan en cualquier sentido.

Finalmente, el caudal de la bomba se obtiene midiendo el volumen de fluido desplazado durante un período de tiempo determinado. El caudal de una bomba, normalmente, se expre-sa en galones o litros por minuto.


4.2.1 BOMBAS DE ENGRANAJES

Las bombas de engranajes son bombas de caudal positivo y fijo. Su diseño simple, de recia construcción, las hacen útiles en una amplia gama de aplicaciones. Muchas máquinas usan este tipo de bombas de engranajes.

La operación de una bomba de engranajes, es la siguiente: Un eje de accionamiento hace girar el engranaje impulsor, el cual hace girar al engranaje loco. A medida que giran los engranajes, los dientes del engranaje forman un sello contra la caja. El aceite ingresa por la lumbrera de aspiración, quedando atrapado entre los dientes y la caja, y es obligado a salir por la lumbrera de impulsión.

La bomba de la figura es de engranajes. Los componentes de esta bomba son los siguientes:

1.- Sellos.2.- Placa de presión.3.- Engranaje loco.4.- Engranaje impulsor.5.- Caja.


4.2.2 BOMBAS DE PALETAS

Las bombas de paletas son bombas de caudal positivo y fijo. Estas bombas de larga duración y suave funcionamiento se utilizan frecuentemente en maquinarias de movimiento de tierra.

El funcionamiento de la bomba de paletas, es el siguiente: Un eje de impulsión gira el rotor. El aceite penetra en la cámara creada entre las dos paletas y la caja, y es impulsado hacia la lumbrera de salida. La bomba de paletas esta constituida por un anillo circular, paletas y un rotor ranurado.

Pero, la mayoría de las bombas de paletas son bombas equilibradas, con un par de lumbreras de entrada y un par de lumbreras de salida. Las lumbreras de cada par están ubicadas en lados opuestos. La fuerza centrífuga, los resortes o la presión de aceite, empujan las paletas contra la superficie interior del anillo. Esto permite que las paletas se ajusten automáticamente según el desgaste.

La figura muestra una bomba de paletas desmontada. Los componentes de ésta son los siguientes:

1.- Caja de extremo.2.- Plancha flexible.3.- Rotor.4.- Anillo excéntrico.5.- Paletas.6.- Sello.7.- Caja de extremo.


4.2.3 BOMBAS DE PISTONES

Las bombas de pistones pueden ser de caudal fijo o variable, según su diseño. Estas bombas versátiles y eficientes se utilizan frecuentemente en los sistemas hidráulicos de detección de carga y presión compensada.

Como se puede ver en este ejemplo, una bomba de pistones de caudal variable esta constituida por los siguientes componentes:

1.- Eje impulsor.2.- Tambor de cilindros.3.- Placa de la lumbrera.4.- Pistones.5.- Retenes.6.- Placa de retracción.7.- Plato basculante.

El funcionamiento de la bomba de pistones, es el siguiente: El eje impulsor está conectado al tambor de cilindros. A medida que gira, los pistones, que están conectados al plato basculante, suben y bajan en los cilindros. A medida que el pistón se retrae, hace penetrar aceite en el cilindro por la lumbrera de entrada y luego lo expulsa en la carrera descendente por la lumbrera de salida. El caudal de aceite impulsado depende del ángulo del plato bas-culante. Cuando el plato basculante está si-tuado en un ángulo máximo, habrá el máximo caudal. Cuando está situado en un ángulo cerono habrá caudal.

Las bombas de pistones también pueden ser de caudal fijo. Esta bomba posee una caja que coloca el conjunto de tambor y pistones en un ángulo fijo con respecto al eje de impulsión. En este diseño, el eje de impulsión esta conectado al plato basculante, haciendo que el tambor de cilindros gire y que los pistones suban y bajen en los cilindros.


4.2.4 MOTORES HIDRÁULICOS

Los motores hidráulicos son accionadores que convierten la energía hidráulica en energía mecánica en forma de movimiento y fuerza giratoria. Se utilizan en las máquinas para impulsar cadenas, ruedas e implementos.

Los motores hidráulicos son casi idénticos a las bombas hidráulicas. Esto se aplica a los motores de engranajes, de paletas y de pistones. La diferencia principal consiste en que el aceite a alta presión entra en el motor, haciendo girar los componentes internos. El aceite luego sale del motor a baja presión y regresa al tanque.

4.2.5 SIMBOLOGÍA DE BOMBAS Y MOTORES

Los diagramas esquemáticos según la Organización Internacional de Normas ISO, utilizan formas básicas y simples para representar los diferentes componentes y características.

1.- Bombas y motores.2.- Acondicionadores de fluido.3.- Válvulas de control.4.- Tuberías.

Estos símbolos se utilizan en combinación con las formas básicas para ofrecer más información acerca de los componentes.

1.- Variable de control.2.- Dirección del fluido o flujo de la energía.3.- Dirección de rotación o flujo.4.- Bomba de caudal variable.


El símbolo básico que representa a una bomba o a un motor hidráulico, es un círculo.

Se pueden añadir triángulos al símbolo básico para indicar la dirección del fluido o el flujo de la energía.

Las bombas, algunas veces, aparecen conectadas al componente que las impulsa, tal como un motor de combustión o eléctrico.

El eje del componente aparece como una línea continua conectada al dibujo del componente. La flecha indica el sentido de giro.

Los diagramas esquemáticos ISO indican la función del componente, no el diseño ni el tipo. Por ejemplo, este símbolo ISO, identificado con el número 1, se puede utilizar para representar cualquiera de estas dos bombas de caudal fijo. El número 2 indica una bomba de paletas y el 3 una bomba de pistones.

4.3 ACTUADORES LINEALES

El objetivo principal de los sistemas hidráulicos de las máquinas es impulsar implementos tales como baldes, cucharones, hojas y otros. Esto normalmente se realiza con cilindros, que son actuadores lineales que convierten la energía hidráulica en energía mecánica.


Aquí se muestra un cilindro de doble efecto, con sus principales componentes:

1.- Varilla o vástago.2.- Tubo del cilindro.3.- Cáncamo de la tapa.4.- Cáncamo de la varilla.5.- Cabeza del cilindro.6.- Puntos de conexión.7.- Pistón.8.- Tuerca del pistón.

La cabeza del cilindro rodea el extremo abierto del éste y tiene una apertura por la cual la varilla entra y sale. Puede ir atornillada al cilindro o unida a él por medio de pernos de anclaje o de bridas empernadas. La cabeza del cilindro de corona roscada, enrosca en la parte exterior del tubo del cilindro. La cabeza del cilindro de cuello portasellos roscado, enrosca en la parte interior del tubo del cilindro.

Un cilindro hidráulico posee diferentes tipos de sellos:

1.- Sello limpiador de la varilla.2.- Sello amortiguador de la varilla.3.- Sello del Pistón.4.- Anillo de desgaste del pistón.5.- Sello de la varilla.6.- Anillo de desgaste de la varilla.7.- Sello de la cabeza.

Los sellos dinámicos son los que se utilizan entre las superficies en las cuales se produce movimiento entre las superficies. Los sellos estáticos se utilizan entre superficies en donde no hay movimiento.


Una característica adicional de algunos cilindros hidráulicos son los amortiguadores. Estos dispositivos reducen la velocidad del pistón a medida que la varilla se acerca al extremo de su carrera, disminuyendo la intensidad del impacto. La figura muestra un cilindro amortiguado de la retroexcavadora 446.

1.- Amortiguador.2.- Pistón.3.- Varilla.4.- Cilindro.

Los cilindros de simple efecto son impulsados en un solo sentido. El aceite que entra en una sola lumbrera hace que el accionador se extienda. El peso de la carga retrae el accionador. Los cilindros de doble efecto son impulsados hidráulicamente en los dos sentidos. El cilindro de doble efecto de la figura pertenece a una pala PC 5500.

Los cilindros telescópicos de simple efecto tienen una varilla interior y una exterior (también pueden tener más de 2 varillas). La varilla exterior sale primero hasta que queda totalmente extendida, después comienza a salir la varilla exterior. Ambas secciones se retraen por gravedad. El camión de la figura esta equipada con cilindros de simple efecto, con el objeto de alcanzar mayores alturas.

En el caso de los cilindros telescópicos de doble efecto, se extiende primero la varilla exterior y luego la interior. Pero es el aceite quien retrae primero la varilla interior y luego la exterior. El camión de obras de la figura, utiliza dos cilindros telescópicos de doble efecto para elevar y bajar la tolva.


Un cilindro de dos varillas (doble vástago), tiene un pistón con una varilla en cada extremos. Esto proporciona un área de trabajo de igual efectividad a ambos lados del pistón, equilibrando las fuerzas de trabajo del cilindro. La figura siguiente muestra un cilindro de doble vástago, implementado en un sistema de dirección, para equilibrar las fuerzas de trabajo al girar.

Las figuras que se muestran a continuación corresponden a una proyección ortogonal de un cilindro de doble efecto (1) y, a la proyección ortogonal de un cilindro de doble vástago (2).

4.3.1 SIMBOLOGÍA DE CILINDROS

El símbolo básico de los cilindros es un rectángulo que representa el tubo del cilindro y, una representación del pistón y la varilla en forma de T (1). Algunas veces la varilla y el pistón aparecen más detallados (2). El símbolo de un cilindro de simple efecto señala la lumbrera única y la otra lumbrera se deja abierta para indicar que tiene descarga (3).

En la figura (1) se muestra el símbolo de un cilindro de doble efecto. Las dos lumbreras significan que el flujo mueve el cilindro en ambas direcciones. La figura (2) muestra el símbolo de un cilindro de doble vástago o doble varilla.


El símbolo de un cilindro telescópico indica la cantidad de varillas que posee. Una solo lumbrera y varillas de extremo abierto indican un cilindro telescópico de simple efecto (1). Los cilindros telescópicos de doble efecto aparecen con dos lumbreras y con los extremos de las varillas cerradas.

El amortiguador de un cilindro se representa a través de un rectángulo pequeño situado a un lado o a ambos lados del pistón (1). Una línea diagonal que atraviesa el rectángulo indica que el amortiguador tiene una restricción de caudal variable.


CAPÍTULO 5

VÁLVULAS HIDRÁULICAS

5.1 INTRODUCCIÓN A LAS VÁLVULAS

Todos los sistemas hidráulicos utilizan válvulas para accionar los actuadores y para controlar los requerimientos de caudal y presión de éstos. Estas válvulas pueden ser componentes individuales, agrupados dentro de una sola carcasa o apilados en bancos de válvulas.

Las válvulas hidráulicas, por lo general, se pueden agrupar en 3 categorías:

Las válvulas de control direccional dirigen el recorrido del aceite por el sistema. Las válvulas de control de flujo manipulan el caudal del sistema para regular la velocidad de los actuadores. Finalmente, las válvulas de control de presión manipulan la presión del sistema.

5.1.1 VALVULAS DE CONTROL DIRECCIONAL

Las válvulas de control direccional proporcionan el medio principal para controlar la operación de los actuadores y otros componentes, dirigiendo el caudal de aceite hacia los circuitos deseados.


La mayor parte de las válvulas de control direccional tienen un carrete (spool) que se desliza hacia delante y hacia atrás en el interior de la válvula. El carrete tiene amplios diámetros, llamados resaltos, que pueden abrir o bloquear las entradas y salidas. Algunos carretes cuentan con ranuras de estrangulación que permiten generar un flujo gradual del aceite hacia los componentes. Además, los carretes poseen ranuras de lubricación cuya finalidad es atrapar el aceite para mantener al carrete flotante al interior del cuerpo de la válvula.

Por lo general, el carrete está centrado al interior de la válvula mediante resortes y puede ser movido manual o eléctricamente mediante solenoides. Los carretes de gran tamaño difíciles de operar manualmente, o situados en ubicaciones distantes, pueden ser accionados hidráulicamente. Las válvulas que controlan la operación de otras válvulas son llamadas válvulas piloto.

Las válvulas de control direccional generalmente tienen 3 o más posiciones. Cada posición cambia la dirección del flujo del aceite hacia el actuador. La posición central de la válvula mantiene al actuador en su ubicación. Con la válvula situada en la posición de extensión del actuador, el aceite se dirige a través de la lumbrera B. Con la válvula situada en la posición de retracción del actuador, el aceite se dirige a través de la lumbrera A.

Una válvula de retención se puede clasificar como una válvula de control de dirección o de control de flujo. El diseño más común consiste en un pistón o una bola y un resorte. La válvula de retención se utiliza a menudo en combinación con otras válvulas.


La presión ejercida del lado anterior a la válvula es suficiente para vencer la fuerza del resorte, empujando el pistón del asiento y permitiendo que pase el flujo por la válvula. El flujo en el sentido opuesto provoca que la presión trabaje en conjunto con el resorte, cerrando la válvula y bloqueando el flujo.

5.1.2 VALVULAS DE CONTROL DE FLUJO

Las válvulas de control de flujo se utilizan a menudo para regular la velocidad del accionador, o para dividir el flujo entre dos o más circuitos. Una válvula de control de flujo puede ser una sencilla válvula de compuerta con una abertura predeterminada, o diferentes disposiciones dinámica de válvulas accionadas por resorte.

La válvula de control de flujo permite predeterminar el caudal máximo de aceite que puede penetrar en un circuito, desviando el exceso de aceite hacia el tanque. Esta constituida por un orificio restrictor, una válvula de descarga y un resorte ligero. Estas válvulas pueden controlar el flujo con un alto grado de precisión.

5.1.3 VALVULAS DE CONTROL DE PRESIÓN

Las válvulas de alivio de presión se utilizan para limitar la presión máxima del sistema o del circuito y proteger las componentes del circuito del exceso de presión. Si la presión sobrepasa un nivel predeterminado, se abre la válvula de alivio, descargando el excedente de aceite hacia el tanque.


Una válvula de alivio sencilla está formada por una carcasa, un pistón y un resorte. El pistón se mantiene normalmente cerrado sobre el asiento por un resorte ajustado a una presión predeterminada. Si la fuerza debido a la presión del sistema vence la tensión del resorte, la válvula se abrirá, dejando pasar el aceite hacia el tanque.

Las válvulas reductoras de presión se utilizan cuando la demanda de presión de un circuito es menor que la presión del sistema principal. Esta válvula esta constituida por un pistón, un resorte y un carrete. La fuerza del resorte determina la máxima presión corriente debajo de la válvula. Esta es una válvula normalmente abierta.

A medida que el flujo pasa por el carrete, la presión corriente abajo aumenta. Al aumentar la presión en la cavidad del pistón, actúa contra el pistón y el carrete, supera la fuerza del resorte y comienza a cerrar la abertura. Cuando la fuerza debido a la presión corriente abajo iguala la tensión del resorte, el movimiento cesa, manteniendo la presión reducida corriente abajo.

5.2 SIMBOLOGÍA DE VÁLVULAS

El símbolo básico ISO que representa una válvula es un cuadrado o recuadro. Las válvulas de control direccional aparecen en forma de recuadros múltiples, y la cantidad de recuadros representa la cantidad de posiciones de la válvula.

1.- Recuadro básico de la válvula.2.- Válvula de 2 posiciones.3.- Válvula de 3 posiciones.


Las líneas cortas trazadas perpendicular al recuadro indican las conexiones externas de la lumbrera. Algunas veces se marcan las lumbreras. Cuando la designación es T significa tanque, P significa presión y, A y B significan lumbreras de trabajo.

1.- Dos conexiones.2.- Tres conexiones.3.- Cuatro conexiones.

Las conexiones de las lumbreras se hacen en el recuadro que señala la posición de detención o neutral. Este símbolo representa una válvula de control de tres posiciones, centro abierto y lumbreras cerradas (centro tandem). En la posición normal, el flujo de aceite proveniente de la bomba retorna al tanque.

Las flechas dentro de los recuadros representan la dirección del flujo. El recuadro de la derecha de esta válvula envía el flujo de la bomba hacia la lumbrera B y, el flujo de la lumbrera A se envía de retorno al tanque. En el recuadro de la izquierda se invierte la dirección del flujo, enviándolo desde la bomba a la lumbrera A y, desde la lumbrera B hacia el tanque. Las dos líneas paralelas al símbolo de la válvula, representan la posibilidad de infinitas posiciones intermedias.

Este símbolo ISO representa una válvula de control direccional de centro cerrado. Estando en la posición neutral, las cuatro lumbreras quedan cerradas.

Esta es una válvula de 4 conexiones y 3 posiciones de detención (4/3), con infinitas posiciones intermedias.


Un símbolo añadido al lado de la válvula representa el mando de ésta. La válvula de la figura (1) se conmuta manualmente. La figura (2) muestra otros mandos manuales: (A) palanca, (B) botonera y (C) pedal. La figura (3) muestra un resorte a cada lado de la válvula, los cuales representan a una válvula centrada por resortes.

La figura muestra los símbolos de otros mandos usados en válvulas de control:

1.- Pilotaje externo.2.- Retorno externo.3.- Solenoide.4.- Pilotaje interno.5.- Retorno interno.6.- Motor eléctrico.7.- Control de servo.8.- Térmico.9.- Enclavamiento.

También se utilizan controles combinados. Un símbolo de mando situado encima de otro indica que es uno O el otro (1A). Si ambos mandos están situados en el mismo recuadro indica uno Y el otro (1B). Algunas veces el mismo dispositivo controla más de una válvula, como es el caso de la palanca universal (joystick), que se muestra en la figura (2).

En resumen, la figura representa una válvula de control direccional 6/4 (6 conexiones y 4 posiciones), con infinitas posiciones intermedias. Doble mando manual con una posición de enclavamiento, centrada por resortes y centro abierto.


La figura (1) muestra el símbolo básico que representa una válvula de retención, que es una bola y un asiento. El flujo normal que corre de izquierda a derecha separa la bola del asiento. El flujo que va desde la derecha a la izquierda queda bloqueado. Muchas válvulas de retención están implementadas con un resorte para ayudar a mantener la bola asentada, tal como se aprecia en la figura (2).

El símbolo básico de una válvula de control de flujo comienza con un recuadro y una flecha (1). Dos curvas trazadas sobre y bajo la flecha, indican que hay una restricción o un orificio restrictor (2). La flecha diagonal representa que el orificio restrictor es variable (3).

El símbolo de una válvula de alivio esta constituido solo por un recuadro, el cual se encuentra normalmente cerrado al paso del flujo. Una señal de pilotaje detecta la presión del sistema generando una fuerza contra la tensión del resorte. La flecha diagonal que aparece en el resorte indica que la tensión del resorte se puede calibrar.

El símbolo de una válvula reductora de presión es similar al de una válvula de alivio, con la diferencia de que normalmente esta abierta y el pilotaje detecta la presión posterior a la válvula.


CAPÍTULO 6

ACCESORIOS DEL SISTEMA HIDRÁULICO

6.1 TANQUES HIDRÁULICOS

El principal objetivo de los tanques hidráulicos es garantizar que sistema tenga siempre un amplio suministro de aceite. Además, las paredes de los tanques disipan el calor que se acumula en el aceite. Los deflectores ayudan a separar el aire y la condensación del aceite. Finalmente, algunos contaminantes se asientan en el fondo del tanque, desde donde se pueden extraer.

Los sistemas hidráulicos móviles utilizan dos tipos de tanques: los ventilados y los presurizados. Los tanques ventilados respiran, permitiendo la compensación de presión cuando se producen cambios en los niveles de aceite. Los tanques presurizados están sellados a la atmósfera, evitando que penetre en ellos la suciedad y humedad. La presión interna empuja el aceite hacia la bomba, evitando la cavitación de ésta.

La figura siguiente muestra la ubicación de los componentes de un tanque hidráulico:

1.- Tubo de llenado.2.- Filtro interno.3.- Mirilla.4.- Tubería de retorno.5.- Tapón de drenaje.6.- Salida de la bomba.7.- Plancha deflectora.8.- Válvula de alivio.9.- Respiradero.


El símbolo ISO de un tanque hidráulico es un rectángulo abierto con una tubería de retorno. La tubería de retorno puede trazarse por encima o por debajo del nivel de aceite. Los tanques presurizados pueden representarse como un rectángulo cerrado. A pesar de que la mayoría de los sistemas hidráulicos tienen solo un tanque, este símbolo se puede utilizar varias veces para reducir la complejidad del plano.

1.- Por debajo del nivel de aceite.2.- Por encima del nivel de aceite.

6.2 ACUMULADORES HIDRÁULICOS

Los acumuladores son recipientes que almacenan el aceite a presión. Estos dispositivos se utilizan en una serie de aplicaciones . Existen 3 tipos básicos:

1.- Acumulador contrapesado.2.- Acumulador de resorte.3.- Acumulador cargado con gas.

El acumulador cargado con gas es el tipo más utilizado en maquinaria. Esta constituido por un cilindro, un pistón o cámara y una válvula de carga. El aceite que ingresa en el cilindro empuja el pistón o la cámara hacia arriba, comprimiendo el gas. A medida que la presión disminuye, el gas se expande, haciendo que el aceite salga. El acumulador cargado con gas es versátil, potente y exacto, pero requiere de un mantenimiento cuidadoso. El gas utilizado comúnmente es nitrógeno.


Las principales funciones de un acumulador son 4, aplicadas a sistemas hidráulicos móviles:

1.- Compensar variaciones de flujo.2.- Mantener la presión constante.3.- Absorber los impactos.4.- Proporcionar presión y flujo de emergencia.

Los acumuladores compensan las variaciones de presión que se producen en el sistema suministrando presión adicional y absorbiendo el exceso de presión, según se requiera. Además, pueden absorber eventuales sobrecargas del sistema.

Si el motor pierde potencia, el acumulador puede suministrar presión y flujo hidráulico al sistema durante un periodo de tiempo limitado. A menudo se utiliza para suministrar aceite de emergencia al sistema de frenos y de la dirección.

La figura (1) muestra el símbolo básico de un acumulador. Además, es posible añadir símbolos internos para indicar el tipo de acumulador.

1.- Básico.2.- Con resorte.3.- Cargado con gas.4.- Contrapesado.


6.3 FILTROS HIDRÁULICOS

Los filtros mantienen el aceite hidráulico limpio reteniendo los contaminantes que pueden dañar las piezas de los componentes. A medida que el aceite pasa por el elemento del filtro, los contaminantes quedan atrapados. El aceite limpio continua por el sistema.

El elemento o malla se clasifica en micrones, según el tamaño de las perforaciones, de acuerdo con su capacidad de atrapar las partículas. Cuanto más pequeño sea el tamaño de las perforaciones, más pequeñas serán las partículas que podrá atrapar.

Existen básicamente 2 tipos de filtros de aceite: (1) los de superficie y (2) los de profundidad. Tal como el nombre lo indica, los filtros de superficie recogen los contaminantes en la superficie del elemento del filtro o malla. Los filtros de profundidad recogen los contaminantes de diferentes tamaños a diferentes niveles dentro del elemento.

Los filtros de aceite pueden clasificarse con uno de estos 3 diseños:

1.- Filtro de tubo.2.- Filtro enroscable y compacto.3.- Filtro de malla metálica.


Un sistema hidráulico puede requerir de varios filtros, cada uno con su propio propósito y ubicación.

1.- Filtro de presión.2.- Filtro de succión.3.- Filtro de drenaje.4.- Filtro de retorno.

Los filtros de presión evitan que las partículas finas contaminen válvulas y actuadores. Los filtros de succión evitan que partículas de gran tamaño penetren a la bomba. Los filtros de drenaje se utilizan en carcasas de bombas y motores, con el fin de atrapar las impurezas producto del desgaste de éstos. Finalmente, los filtros de retorno retienen los contaminantes que ingresan al sistema durante la operación de éstos, evitando que lleguen al tanque.

La mayoría de los filtros de tubo y compactos están equipados con una válvula de derivación, para garantizar que el flujo del sistema nunca quede bloqueado. Existen 2 situaciones que pueden ocasionar dicho bloqueo: Una acumulación de contaminantes que obstruya el filtro y, la posibilidad que el aceite se encuentre frío y se torne demasiado viscoso.

La válvula de derivación es una válvula accionada por un resorte. A medida que el filtro comienza a obturarse, la presión antes de él aumenta, con lo cual se corre el riesgo de rompimiento del elemento filtrante. Cuando la presión aumenta, vence la tensión del resorte, permitiendo que el aceite se desvíe sin pasa por el elemento. El aceite derivado no está filtrado, por lo cual se debe dar servicio al filtro lo antes posible. En el caso del aceite frío, laválvula se cerrará cuando se caliente el aceite.


La figura (1) representa el símbolo básico de un acondicionador de fluido. En la figura (2) se agrega una línea de segmento, lo cual representa el símbolo de un filtro.

6.4 ENFRIADORES DE ACEITE

Como los componentes en los sistemas hidráulicos trabajan a alta presión, el calor se va acumulando en el aceite. Si las temperaturas aumentan demasiado, pueden dañarse los componentes. Los enfriadores de aceite son intercambiadores de calor, similares al radiador de un automóvil, que utiliza aire o agua para mantener operaciones seguras.

En maquinaria se utilizan 2 tipos de enfriadores: enfriadores de aire a aceite y enfriadores de agua a aceite. El aceite pasa por un tubo cubierto con aletas de enfriamiento. Un ventilador sopla aire sobre el tubo y las aletas, enfriando el aceite.

En la figura se puede apreciar un enfriador de agua a aceite. En este tipo de enfriador, el aceite pasa por una serie de tubos que se enfrían con agua.


La figura (1) corresponde al símbolo de un enfriador. Las áreas triangulares representan la disipación de calor. En algunos diagramas esquemáticos el enfriador aparece representado en forma de cuadrado rotulado, tal como se aprecia en la figura (2).

6.5 TUBERÍAS Y MANGUERAS

Las tuberías son mangueras o tubos por los cuales se mueve el fluido. Su principal objetivo es interconectar los componentes del sistema.

Un tubo es una tubería hidráulica rígida, generalmente fabricada de acero. Las tuberías se utilizan para conectar los componentes que no tienen movimiento. En general, los tubos requieren menos espacio que las mangueras y pueden conectarse firmemente a la máquina, dando mayor protección a la tubería y una mejor apariencia a la máquina.

Las mangueras hidráulicas se utilizan en los casos en que se necesita flexibilidad, como cuando los componentes tienen movimiento relativo con respecto a otro. Las mangueras absorben las vibraciones y resisten las variaciones de presión.


Las mangueras se fabrican de diferentes capas de espiral. El tubo interior de polímero (1) transporta el aceite. Una capa de alambre de refuerzo (2) sostiene el tubo interior. Si hay más de una capa de refuerzo, estarán separadas por una capa de fricción de polímero (3). La cubierta exterior (4) protege la manguera del desgaste.

Las conexiones son una serie de acoplamientos, bridas y conectores que se utilizan para interconectar mangueras y tubos a los componentes hidráulicos.

La figura (1) representa el símbolo de una tubería de trabajo principal del sistema. La figura (2) corresponde a una tubería de pilotaje o una tubería de drenaje o descarga. Finalmente, la figura (3) muestra una tubería representada con una línea gruesa, con un color que indica el tipo de tubería.

Al interpretar los diagramas esquemáticos ISO, es necesario determinar cuando las tuberías se unen (2) y cuando unas se cruzan con otras (1). Estas son algunas formas comunes de representar las tuberías que se unen y las que se cruzan.


6.6 OTROS SÍMBOLOS

Algunos diagramas esquemáticos ISO tienen un símbolo para las fuentes externas de energía. Un motor de combustión interna se representa mediante cualquiera de los símbolos que muestra la figura (1). Un motor eléctrico se representa mediante el símbolo de la figura (2).

Estos símbolos representan instrumentos que se utilizan en sistemas hidráulicos. La figura (1) representa un manómetro y, la figura (2) un termómetro.


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