Conceptos, Generación de Flujo y Componentes de Control
PRINCIPIOS BÁSICOS SOBRE
FLUIDOS
PROPIEDADES DE LOS LÍQUIDOS
¿Por qué usamos un líquido?
Hay muchas ventajas de usar un líquido :
- Los líquidos toman la forma del recipiente que los contiene.
- Los líquidos son prácticamente incompresibles.
- Los líquidos aplican la presión en todas direcciones.
Los líquidos toman la forma del recipiente
Los líquidos tomarán la forma del recipiente que los contiene. Los líquidos también fluirán en cualquier dirección a través de varios tamaños y formas.
Prácticamente incompresibles
El gas es compresible
El gas es compresible. Cuando un gas es comprimido, éste ocupa menos espacio y su
desplazamiento viene a ser menor. El espacio previamente ocupado por el gas podría ser ocupado por otro objeto. Así entonces, un líquido es más adecuado para un sistema hidráulico porque continuamente ocupa el mismo volumen o desplazamiento.
La hidráulica haciendo Trabajo
De acuerdo a la ley de Pascal, “ La presión ejercida en un líquido confinado es transmitida sin pérdidas en todas las direcciones y actúa con igual fuerza en todas las áreas iguales. ” Así entonces, una fuerza ejercida en cualquier parte de un sistema de aceite hidráulico confinado transmite igual presión en todas las direcciones a través del sistema.
En el ejemplo de arriba, una fuerza de 500 lb. actuando sobre un pistón de 2
pulgadas de radio crea una presión de aproximadamente 40 lb./ pulg2 en un
líquido confinado. Las mismas 40 lb./ pulg2 actuando en un pistón de 3 pulgadas de radio soportan un peso de 1130 libras.
Ventajas Mecánicas
La figura inferior demuestra como el líquido en un sistema hidráulico provee una ventaja mecánica.
FLUÍDOS HIDRÁULICOS
El fluido 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 fluido determinan cómo cumple su función. Esta lección trata sobre las propiedades críticas y de aditivos utilizados para mejorarlas.
Funciones del Fluído Hidráulico
Las funciones básicas de los fluidos hidráulicos son:
- Transmisión de potencia.
- Lubricación.
- Sellado.
- Enfriamiento.
Viscosidad
La viscosidad es la medida de la resistencia de los líquidos a fluir a una determinada temperatura. Un líquido que fluye fácilmente tiene baja viscosidad,
mientras que un líquido que no fluye fácilmente tiene alta viscosidad.
Cuando aumenta la temperatura de un líquido, baja su viscosidad. Cuando
disminuye la temperatura de un líquido, se incrementa su viscosidad.
Índice de Viscosidad
El índice de viscosidad es la medida del cambio del espesor de los líquidos
respecto a la temperatura.
Si el líquido mantiene su consistencia en un rango amplio de temperaturas, el fluido tiene un alto índice de viscosidad. Si el líquido se hace espeso a bajas temperaturas y se hace delgado a altas temperaturas, el fluido tiene un bajo índice de viscosidad.
En los sistemas hidráulicos, los fluidos con un alto índice de viscosidad son preferibles a los fluidos de bajo índice de viscosidad.
Comparación de Viscosidad
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 hace que los componentes se desgasten más rápidamente. También aumenta la posibilidad de fugas.
Efecto de la Temperatura sobre la Viscosidad
La temperatura puede afectar la viscosidad del aceite por lo cual es importante utilizar el grado adecuado del aceite para su máquina y clima. Siempre remítase a su Manual de Operación y Mantenimiento para determinar que aceite se recomienda.
Tipos de Aceites
La materia prima de los aceites puede ser de dos tipos:
- Minerales
- Sintéticos
Aceites Minerales
La materia prima está conformada por productos refinados de aceites crudos de
petróleo.
Aceites Sintéticos
Se fabrican mediante un proceso de reacción química de aquellos materiales de una composición química específica para producir un compuesto con cualidades
planificadas y predecibles. Estos aceites tienen un índice de viscosidad más alto que los aceites minerales. Son especialmente mezclados para servicios extremos (altas y bajas temperaturas).
Aditivos
Los aditivos fortalecen o modifican ciertas características del aceite base, ya sea mineral o sintético.
Los aditivos se utilizan para controlar la viscosidad, reducir el desgaste, aumentar la estabilidad química, inhibir la corrosión y oxidación, mantener limpios los componentes y suspender las partículas hasta qué lleguen al filtro.
Estas son razones adicionales por las cuales en las máquinas Caterpillar siempre se debe utilizar el fluido hidráulico recomendado.
Vida de los Aceites
El aceite hidráulico nunca se desgasta. El uso de filtros para remover partículas sólidas y el añadido de algunos químicos mantiene la vida útil del aceite.
Sin embargo, el aceite llega a contaminarse hasta el punto que tiene que ser reemplazado. En maquinaria de construcción, el aceite es reemplazado a
intervalos regulares de tiempo.
Los contaminantes en el aceite pueden también ser usados como indicadores de desgaste excesivo y posibles áreas con problemas. Uno de los programas que usa los contaminantes del aceite como una fuente de información es el Análisis Programado de Aceite (APA) o Caterpillar Schedule Oil Sampling Program (SOS).
Lección 1.1: Efecto orificio
Cuando discutimos sobre hidráulica es común utilizar el término “presión de
bomba “ Sin embargo, la bomba no produce presión. La bomba produce flujo.
Cuando el flujo es restringido, SE INCREMENTA LA PRESIÓN.
En las figuras 1a y 1b el flujo de la bomba a través de la tubería es 1gpm.
lectura de presión es cero en ambos manómetros.
Un orificio ofrece una restricción al flujo de la bomba. Cuando el aceite fluye a través de un orificio, se produce un incremento de presión ‘Aguas arriba’ del orificio o antes del mismo.
En la figura 1b, hay una restricción en la tubería (un orificio) entre los dos manómetros.
EL ORIFICIO OFRECE UNA RESTRICCIÓN
El manómetro antes del orificio muestra que una presión de 207 kPa ( 30 psi) es necesaria para enviar un flujo de 1gpm a través del orificio. No hay otra restricción al flujo después del orificio. El manómetro ‘Aguas Abajo’ o después del orificio muestra una presión de 0 psi.
FLUJO DE ACEITE BLOQUEADO
Cuando el extremo de cualquier tubería es taponado, el flujo de aceite hacia el tanque es bloqueado.
La bomba de desplazamiento positivo continúa bombeando a 1gpm y llena la
tubería. Cuando la tubería es llenada, la resistencia a cualquier flujo adicional al
interior de la tubería produce incremento de presión. La reacción del incremento de la presión es la misma que dice la Ley de Pascal, la que establece que:
“ La presión ejercida en un líquido confinado es transmitida sin pérdidas
en todas las direcciones y actúa con igual presión en todas las áreas. ”
La presión se incrementará hasta que el flujo de la bomba sea derivado de la línea a otro circuito o al tanque. Esto es hecho usualmente con una válvula de alivio. Si el flujo de la bomba no fuera derivado de la línea, la presión en la línea podría continuar elevándose y causar el colapso del circuito.
Hay dos tipos básicos de circuitos, Serie y Paralelo.
En la figura 1d, una presión de 620 kPa (90 psi) es requerida para enviar 1 gpm a través de cada circuito.
Orificios o válvulas de alivio en serie en un circuito hidráulico ofrecen una resistencia que es similar a las resistencias en serie en un circuito eléctrico en el que el aceite debe fluir a través de cada resistencia individual, en cada una de ellas se produce una caída de presión diferente. La resistencia total equivale a la suma de cada resistencia individual.
RESTRICCIONES EN PARALELO
En un sistema con circuitos en paralelo, el aceite de la bomba sigue el camino de la menor resistencia. En la figura 1e, la bomba suministra aceite a tres circuitos paralelos. El circuito tres tiene la menor prioridad y el circuito uno tienen la mayor prioridad.
Cuando el aceite de la bomba llena el pasaje a la izquierda de las tres válvulas, la presión del aceite se incrementa hasta 207 kPa (30 psi). La presión de aceite de la bomba abre la válvula del circuito 1 y el aceite fluye en el circuito. Cuando el circuito uno es llenado, la presión del aceite de la bomba continúa
incrementándose hasta 414 kpa (60 psi) y abre la válvula del circuito 2. La presión del aceite de la bomba no puede continuar incrementándose hasta que el circuito 2 esté lleno. La presión del aceite de la bomba debe exceder los 620 kPa (90psi) para abrir la válvula del circuito tres.
Debe haber una válvula de alivio del sistema en uno de los circuitos o en la bomba para limitar la presión máxima del sistema.
CAÍDA DE PRESIÓN A TRAVÉS DE UN ORIFICIO
Un orificio es un paso restringido en una línea hidráulica o componente, usado para controlar el caudal o crear una diferencia de presión (caída de presión). Para que el aceite fluya a través de un orificio, tiene que haber una diferencia de presión a través del orificio (el término caída procede del
hecho de que la presión inferior siempre está más abajo en el sentido de la corriente) Inversamente, si no hay caudal no hay diferencia de presión a través del orificio (Ver la figura 1f, caso d).
LECCIÓN 5.3: LEY DE PASCAL
Definición de la Ley de Pascal
Hasta aquí hemos hablado sobre el caudal del fluido en un sistema hidráulico.
Si este caudal se restringe de alguna forma, tal como aplicando una carga sobre un cilindro, se crea presión. La cantidad de presión se puede calcular dividiendo la fuerza de la carga por la superficie sobre la que se aplica la misma. Esta es una aplicación de la Ley de Pascal.
La definición del libro de texto sobre la Ley de Pascal es: “La fuerza aplicada a un líquido encerrado se transmite igualmente en todas las direcciones”.
Esto se puede expresar utilizando la siguiente formula.
P = F/A
Donde :
P = Es la presión (en libras / pulgada2)
F = Es la fuerza aplicada al vástago (en libras)
A = Es el área del pistón donde actúa la presión (en pulgadas cuadrada)
Dicho de otra forma, la presión se puede definir como una fuerza determinada
que actúa en un área determinada.
Ayuda para el Cálculo
Este símbolo a menudo se utiliza para recordar las ecuaciones. Se usa cubriendo la variable que se desea calcular. La expresión que resulta es la ecuación.
Por ejemplo, para calcular la presión, cubra la P y la expresión que queda es F/A.
Área útil del Pistón
El área útil del pistón es el área (área 2 para la parte superior y área 1 para la parte inferior) sobre la cual actúa la presión hidráulica. Si se aplica una presión igual a ambos extremos de un pistón, se ejerce una fuerza mayor en el extremo de cabeza del pistón. Ello se debe a que el vástago debe ocupar parte del área del pistón, reduciendo el área útil del extremo del vástago.
El área de un pistón se calcula con la formula:
A = π × r²
Donde :
A = Es el área (in²)
Π = Es el factor PI (3.1416)
r = Es el radio del pistón donde actúa la presión (en pulgadas)
Resumen
Resumiendo, se puede utilizar la Ley de Pascal para describir la relación entre la presión, la fuerza y el área.
Se expresa mediante la fórmula: P = F/A
Aplicando esta fórmula a los pistones, la cantidad de presión que se necesita para levantar una carga es igual a la fuerza de resistencia de la carga dividida por el área útil del pistón.
Conversiones del sistema Inglés al sistema Métrico
En la siguiente tabla se muestran los factores de conversión más comunes
entre el sistema inglés y el sistema métrico:
Conversiones del Sistema Métrico al Sistema Inglés
En la siguiente tabla se muestran los factores de conversión más comunes
entre el sistema métrico y el sistema inglés.
Área Efectiva de un Cilindro
El tamaño del agujero del cilindro se refiere al diámetro interior del cilindro. Un cilindro con un mayor diámetro crea un volumen más grande por unidad de longitud que un cilindro con un menor diámetro.
El cilindro de mayor diámetro necesita mas cantidad de aceite para mover el pistón la misma distancia que el cilindro de menor diámetro. Por lo tanto, para un caudal dado, un cilindro con un diámetro mayor se moverá más lentamente que un cilindro de diámetro menor. El área efectiva de un cilindro es el área superficial del pistón sobre el cual el aceite aplica la fuerza. El extremo del pistón donde se encuentra el vástago es el que se extiende fuera del cilindro y su área efectiva es menor que el área efectiva del lado principal del pistón (lado de la tuerca). En este caso el aceite no podrá aplicar fuerza en el área cubierta por el vástago.
El volumen de aceite necesario para llenar el extremo del cilindro donde está el vástago será menor que el volumen de aceite necesario para llenar el extremo principal del cilindro.
Por lo tanto, para un caudal dado o fijo, el vástago del cilindro se retraerá más rápidamente de lo que demoraría en extenderse.
Rendimiento Volumétrico
En teoría, una bomba suministra una cantidad de fluido igual a su desplazamiento por ciclo o revolución. En realidad el desplazamiento efectivo es menor, debido a las fugas internas. A medida que aumenta la presión, las fugas desde la salida de la bomba hacia la entrada o al drenaje también aumentan y el rendimiento volumétrico disminuye.
El rendimiento volumétrico (ηv) determina el porcentaje y estado de las fugas internas en las revoluciones por minuto en un estado de presión. Toda bomba necesita un flujo interno para lubricar las partes en movimiento de la bomba. El rendimiento volumétrico (ηv) es calculado de la siguiente
forma:
El rendimiento volumétrico (ηv) es igual al caudal real de la bomba dividido entre el caudal teórico. Se expresa en forma de porcentaje
Por ejemplo, si una bomba debe dar teóricamente un caudal de 10 gpm (37.85 lpm) @ 1000 psi (68.94 bar) (6984.00 kPa), pero solamente da 9 gpm (34.07 lpm), su rendimiento volumétrico a esta presión será del 90%.
bomba, la velocidad debe mantenerse constante durante la prueba. 
- Las bombas de engranaje tienen una eficiencia volumétrica aproximada de 85 a 96%.
- Las bombas de paletas tienen una eficiencia volumétrica aproximada de 85 a 93%.
- Las bombas de pistones tienen una eficiencia volumétrica aproximada de 95 a 98%.
Fórmulas para calculo del Área de un pistón
CODIGOS DE COLORES
MODULO 4: GLOSARIO DE TERMINOS
- Actuador. Dispositivo que convierte la energía hidráulica en energía mecánica: un motor o un cilindro.
- Acumulador. Recipiente que contiene un fluido a presión.
- Aireación. Aire en un fluido hidráulico, causa problemas en el funcionamiento del sistema y en los componentes.
- Área anular. Es el área en forma de anillo, por ejemplo el área del pistón menos el área del vástago.
- Baffle. Dispositivo. Usualmente es un plato en el reservorio para separar la admisión de una bomba y las líneas de retorno.
- Bleed off. Desvía una porción controlada de flujo de la bomba del reservorio.
- Bomba. Genera caudal de fluido en el sistema.
- By-pass. Pasaje secundario para el flujo de un fluido.
- Caballos de potencia (HP). Un HP es la potencia requerida para levantar 550 libras a 1 pie de altura en 1 minuto. Equivale a 0,746 kW.
- Caída de presión. Reducción de la presión entre dos puntos de una línea o pasaje.
- Calor. Es una forma de energía que tiene la capacidad de crear un aumento de temperatura en una sustancia. Se mide en BTU (British Thermal Unit)
- Cámara. Compartimiento de un elemento hidráulico.
- Carrera. Longitud que se desplaza el vástago de un cilindro de tope a tope. Unidades: m, cm, pulg, pies.
- Caudal. Volumen de fluido que circula en un tiempo determinado. Unidades: m³/min, cm³/min, l/min, gpm
- Cavitación. Condición que producen los gases encerrados dentro de un líquido cuando la presión se reduce a la presión del vapor.
- Centro abierto. Condición de la bomba en la cual el fluido recircula en ella, por la posición neutral del sistema.
- Centro cerrado. Condición en la cual la salida de la bomba no esta con carga, en algunos casos se diría que esta trabajando en neutro.
- Cilindro de doble acción. Es un cilindro cuya fuerza del fluido puede ser aplicada en ambas direcciones.
- Cilindro diferencial. Cilindros en los cuales las dos áreas opuestas del pistón no son iguales.
- Cilindro. Dispositivo que convierte energía hidráulica en energía mecánica, en dirección lineal.
- Circuito. Entiéndase como el recorrido completo que hace un fluido dentro del sistema hidráulico.
- Componente. Una sola unidad hidráulica.
- Contrapresión. Se refiere a la presión existente en el lado de descarga de una carga. Se debe añadir esta presión para el cálculo de mover una carga.
- Controles hidráulicos. Es un control que al funcionar determina una fuerza hidráulica.
- Convertidor de torque. Un tipo de acople hidráulico capaz de multiplicar el torque que ingresa.
- Desplazamiento. Es la cantidad de fluido que puede pasar por una bomba, un motor o un cilindro en una revolución o carrera. Movimiento del vástago de un cilindro. Volumen desplazado de aceite al recorrer la carrera completa del cilindro. Unidades: m³, cm³, L, gal.
- Desplazamiento positivo. Característica de las bombas de engranajes y de paletas.
- Drenaje. Un pasaje, una línea o un componente hidráulico que regresa parte del fluido al reservorio o tanque.
- Eficiencia. Es la relación entre la salida y la entrada, esta puede ser volumen, potencia, energía y se mide en porcentaje.
- Enfriador. Intercambiador de calor del sistema hidráulico.
- Filtro. Dispositivo que retiene partículas metálicas o contaminantes del fluido.
- Fluido. Líquido o gas. Un líquido que es específicamente compuesto para usarlo como medio de transmitir potencia en un sistema hidráulico.
- Flujo. Es producido por la bomba que suministra el fluido.
- Frecuencia. Número de veces que ocurre en una unidad de tiempo.
- Fuerza. Efecto necesario para empujar o jalar, depende de la presión y el área. F = P x A. Es la aplicación de una energía. La fuerza hace que un objeto en reposo se mueva. La fuerza hace que un objeto en movimiento cambie de dirección.
- Hidráulica. Ciencia de la ingeniería que estudia los fluidos. El uso de un fluido bajo presión controlada para realizar un trabajo.
- Hidrodinámica. Estudio de los fluidos en movimiento.
- Hidrostática. Estudio de los fluidos en reposo.
- Intercambiador de calor. Dispositivo usado para producir transferencia de calor.
- Ley de Pascal. La fuerza hidráulica se transmite en todas direcciones. “La presión ejercida sobre un líquido confinado se transmite con igual intensidad en todas direcciones y actúa con igual fuerza sobre todas las áreas iguales”.
- Línea de retorno. Línea usada para regresar el fluido al reservorio.
- Línea de succión. Línea que conecta el reservorio con la bomba.
- Líquido. Sustancia con la capacidad de adoptar cualquier forma.
- Manifold. Múltiple de conexiones o conductores.
- Motor. Dispositivo que cambia la energía hidráulica en mecánica en forma giratoria.
- Orificio. Es una restricción que consiste en un orificio a través de la línea de presión.
- Pasaje. Conductor de fluido a través del control hidráulico.
- Pascal. Científico que descubrió que se podía transmitir fuerza a través de un fluido.
- Pistón. Elemento que dentro del cilindro recibe el efecto del fluido.
- Plunger. Pistón usado en las válvulas.
- Potencia. Trabajo por unidad de tiempo. Se expresa en HP o kW.
- Presión. Fuerza por unidad de área. Se expresa en PSI o en kPa.
- Es creada por la restricción al flujo. La presión ejercida en un recipiente es la misma en todas direcciones.
- Presión absoluta. Escala de presiones en la cual a la presión del manómetro se le suma la presión atmosférica.
- Presión atmosférica. Es la presión que soporta todo objeto, debido al peso del aire que le rodea. El valor de la presión atmosférica normal es 14.7 PSI (a nivel del mar).
- PSI Pound per square inch - Libras por pulgada cuadrada.
- Relación de flujo. El volumen, masa, peso del fluido, en una unidad de tiempo.
- Reservorio. Depósito que contiene el fluido hidráulico.
- Respiradero. Dispositivo que permite al aire entrar y salir del recipiente manteniendo la presión atmosférica.
- Restricción. Reducción de la línea para producir diferencias de presión
MODULO 5: COMPONENTES HIDRAULICOS
TANQUES
Función de los Tanques Hidráulicos
El principal objetivo de los tanques hidráulicos es garantizar que el sistema
hidráulico tenga siempre un amplio suministro de aceite.
Los tanques también se utilizan para otros fines: las paredes de los tanques disipan el calor que se acumula en el aceite hidráulico, y los deflectores de los tanques ayudan a separar el aire y a la condensación del aceite. Además, algunos contaminantes se asientan en el fondo del tanque, de donde se
pueden extraer.
Tipos de Tanques Hidráulicos
En los sistemas hidráulicos móviles se utilizan dos tipos de tanques: los
ventilados y los presurizados.
El tanque ventilado, respira, permitiendo que haya compensación de presión cuando se producen cambios en los niveles de aceite y de temperatura.
Los tanques presurizados están sellados de la atmósfera, evitando que penetre en ellos la suciedad y la humedad. La presión interna también empuja el aceite hacia la bomba, evitando la cavitación de la misma.
Algunos tanques presurizados tienen bombas de aire externas que presurizan
el tanque, otros utilizan la presión que se genera naturalmente a medida que se calienta el fluido hidráulico.
Aplicaciones :
Tanques Ventilados: Rodillos Vibratorios, Camiones Mineros
Tanques Presurizados: Retroexcavadoras, Excavadoras, Pavimentadoras.
Componentes del Tanque Hidráulico
En los tanques hidráulicos podemos encontrar los siguientes elementos:
- Tubo de llenado.
- Filtros internos.
- Visor.
- Tubería de retorno.
- Tapón de drenaje.
- Salida de la bomba.
- Plancha deflectora.
- Válvula hidráulica de alivio.
- Respiradero.
Tubo de llenado
El tubo de llenado es el punto de entrada para añadir aceite. La tapa evita que los contaminantes entren en el tanque por el tubo de llenado. La rejilla elimina los contaminantes del aceite a medida que el aceite entra en el tubo de llenado.
Filtros internos
Muchos tanques tienen filtros internos que limpian el aceite de retorno.
Visor
El visor permite inspeccionar visualmente el nivel de aceite del tanque, así como los niveles máximos y mínimos de aceite.
Tubería de retorno
La tubería de retorno devuelve al tanque el aceite procedente del sistema.
Tapón de drenaje
El tapón de drenaje puede quitarse para drenar el aceite. Puede ser magnético para atraer y ayudar a eliminar las partículas de metal que contaminan el aceite.
Salida de la bomba
La salida de la bomba es un pasaje de flujo de aceite que va desde el tanque a la bomba.
Plancha deflectora
Las planchas deflectoras separan las zonas de retorno del tanque y dirigen el flujo de aceite en el tanque. Los deflectores aumentan el tiempo que el aceite
permanece en el tanque, permitiendo que los contaminantes se asienten, que se evapore el agua y se separe el aire del aceite.
Además, los deflectores reducen las salpicaduras de aceite dentro del tanque
ocasionadas por el movimiento del vehículo. La plancha deflectora de retorno evita que el aceite de retorno agite el aceite que se encuentra en el tanque
Válvula hidráulica de alivio
La válvula hidráulica de alivio se utiliza en tanques presurizados. A medida que el aceite se calienta, la presión aumenta, entre los 70 kPa (10 PSI) y los 207 kPa (30 PSI), la válvula se abre evitando que el exceso de presión rompa el tanque. A medida que el aire se enfría y la presión desciende a 3.45 kPa (0.5 PSI), la válvula se abre para evitar que el vacío resultante desplome el tanque.
Respiradero
El respiradero permite la entrada y salida del aire de los tanques ventilados.
Tiene un filtro para evitar que la suciedad penetre y está situado más arriba del nivel de aceite del tanque.
Simbología ISO de los Tanques Hidráulicos
El símbolo de un tanque ventilado es simplemente un caja o rectángulo
abierto en la parte superior.
El símbolo de un tanque presurizado es graficado como una caja o rectángulo
completamente cerrado.
Ambos tanques se muestran con líneas hidráulicas para denotar su función.
Localización y solución de problemas para tanques
La falla de un tanque hidráulico es poco frecuente y por lo general es causada por daños externos. Las opciones de reparación son, por lo general, obvias y fáciles
LINEAS HIDRAULICAS
Tubos
Un tubo es una tubería hidráulica rígida, generalmente hecha de acero. Los tubos se utilizan para conectar los componentes que no rozan unos con otros.
En general, los tubos también requieren menos espacio que las mangueras y
pueden conectarse firmemente a la máquina, dando mayor protección a las
tuberías y una mejor apariencia general a la máquina.
Mangueras
Las mangueras hidráulicas se usan en los casos en que se necesita flexibilidad, como cuando los componentes rozan unos con otros.
Las mangueras absorben la vibración y resisten las variaciones de presión.
Sus usos en sistemas hidráulicos son variados, entre ellos encontramos:
- Movimiento de tierras.
- Industria forestal.
- Industria petrolera.
- Ferrocarriles.
- Construcción.
- Aserraderos de madera terciada y de pulpa.
- Fábricas.
- Agricultura.
- Manejo de desechos.
- Minería.
Las mangueras CAT exceden ampliamente las especificaciones dadas por la norma SAE (Sociedad de Ingenieros Automotrices), soportando mayores presiones, temperaturas y proporcionando mejor protección contra la hinchazón de la manguera.
Construcción de mangueras
Las mangueras se hacen de diferentes capas en espiral. El tubo interior de polímero (1) transporta el aceite. Una capa de alambre de refuerzo o envoltura de fibra (2) sostiene al 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
Tipos de mangueras
La selección de mangueras dependerá de su uso (temperatura, fluido a transportar, etc.) y de los niveles de presión que soportará el sistema.
El siguiente cuadro muestra los niveles de presión que soporta cada tipo de manguera CAT:
CONEXIONES
Conexiones es un término que se refiere a una serie de acoplamientos, bridas y conectores que se utilizan para conectar mangueras y tubos a los componentes hidráulicos.
Acoplamientos
Los acoplamientos son los elementos que se utilizan para conectar las mangueras a los componentes o a las tuberías.
Existen tres tipos:
Acoplamientos Reutilizables
El acoplamiento Caterpillar de tipo collar es un acoplamiento reutilizable compuesto por un conjunto de vástago con collar y un manguito de acero. El vástago se inserta en el extremo de la manguera mientras que las uñetas en cuña del collar se extienden hacia abajo por la superficie exterior. Luego se
presiona el manguito sobre las uñetas para mantener el acoplamiento en la manguera.
Estos acoplamientos se utilizan por lo general con una brida de dos piezas y un anillo para acoplar mangueras de alta presión y gran tamaño.
Bridas
Las bridas se utilizan para conectar mangueras y tubos de gran diámetro a
bloques, cuerpos de válvulas y otros componentes.
Las bridas pueden soldarse directamente a un tubo, o conectarse a un acoplamiento de
mangueras, y después atornillarse a un componente.
Tipos de bridas
En las máquinas Caterpillar se pueden encontrar dos tipos de bridas:
- Brida SAE de cuatro tornillos: Dos capacidades de presión.
- 1. Código 61 estándar: de 3000-5000 PSI (Según la clasificación de la manguera).
- 2. Código 62: 6000 PSI.
- Brida dividida JIS: Igual a la SAE pero con pernos métricos.
Medición de Bridas
A veces es necesario medir las bridas y las partes que se unen para garantizar una selección y montaje correctos de los componentes.
Utilizando un calibrador de esfera, mida
primero el diámetro del agujero de la
lumbrera.
Luego, mida la distancia mayor entre
perforaciones de perno de centro a centro.
Después mida el diámetro de la cabeza de
la brida.
Con estas tres medidas se puede establecer una correlación con la brida correcta.
Anillos de sellos
Los anillos de sellos, tales como los anillos tóricos (O’ring) y los anillos de sección en D (D’ring), se utilizan para sellar una brida y su superficie de sellado.
Conectores Roscados
Los conectores roscados se utilizan tanto para las conexiones de tubos como de manguera. Su uso por lo general está limitado a las tuberías que tienen 1" o menos de diámetro. Los conectores roscados de los sistemas hidráulicos por lo regular se hacen de acero.
Use el calibrador para medir el diámetro
de las rosca. Mida el diámetro exterior de la rosca macho y el diámetro interior de la
rosca hembra. Combine sus mediciones con las de la guía de manguera y acoplamientos
Use el medidor de paso de rosca para determinar la cantidad de roscas por pulgada o la distancia entre las roscas en los conectores métricos. Busque la medida en la
guía.
Para medir el ángulo de la superficie de
sellado, mida las conexiones hembras
insertando el medidor del ángulo del
asiento en el conector. Si las líneas medias del conector y el medidor quedan paralelas, entonces se ha determinando el ángulo.
Mida los conectores machos colocando el medidor sobre la superficie de sellado. Si el medidor y el ángulo encajan ajustados,
entonces se ha determinado el ángulo.
Localización y solución de problemas y atención técnica para tuberías y conexiones.
Es posible que sea necesario darle servicio frecuentemente a las tuberías y conexiones hidráulicas, especialmente en las máquinas que realizan trabajos severos.
¿Cómo fallan las tuberías / mangueras?
- Se producen fugas en las tuberías o las mangueras.
- Las tuberías o las mangueras se parten o se revientan.
- Las soldaduras y los acoplamientos se rompen.
- Los acoplamientos y conectores tienen fugas.
¿Por qué fallan las tuberías / mangueras / conexiones?
Tuberías / Mangueras
- Abrasión.
- Daño externo.
- Exceso de temperatura.
- Exceso de presión.
- Fatiga / envejecimiento.
- Tendido incorrecto.
- Tubería inadecuada para la aplicación.
Conexiones
- Montaje / instalación inadecuada.
- Par de apriete incorrecto.
- Sellos dañados.
- Exceso de presión.
- Exceso de temperatura.
Señales de falla
- Fuga de aceite de la tubería o el conector.
- Acumulación de suciedad alrededor de los conectores.
- Mangueras deshilachadas o cuarteadas
Opciones de servicio
Conexiones con fuga
- Volver a apretar.
- Reemplazar los sellos.
- Reemplazar el conector.
Tuberías
- Reemplazar el conjunto de tubo.
Mangueras
- Reemplazar la manguera.
- Reconstruir con manguera y acoplamientos reutilizables.
Selección de la manguera correcta
- Reemplace siempre con mangueras del mismo tamaño y tipo que la original.
- Una manguera de repuesto que sea demasiado pequeña limitará el caudal, ocasionando un recalentamiento y pérdida de presión.
- Una manguera de repuesto que no tenga la suficiente capacidad de presión constituye un serio peligro de seguridad.
LECCIÓN 5.3: CILINDROS
Función de los cilindros
El objetivo principal de los sistemas hidráulicos es impulsar implementos tales
como hojas topadoras y cucharones.
Esto normalmente se realiza con cilindros, que son actuadores lineales que
convierten la energía hidráulica en energía mecánica.
Componentes
Los componentes principales de los cilindros hidráulicos son:
- Vástago.
- Tubo del cilindro.
- Cáncamo de la cabeza.
- Cáncamo del vástago.
- Tapa o Cabeza del cilindro.
- Puntos de conexión.
- Pistón.
- Tuerca del pistón.
Vástago
El vástago está conectado al pistón y debe soportar la carga del implemento.
Por lo general se hace de acero de alta resistencia, cromado en duro y altamente pulido que resiste la picadura y el rayado.
Tubo del cilindro
El tubo del cilindro es un cañón o tubo hecho de acero estirado a presión o fundido, con una tapa soldada en un extremo. El interior del cilindro tiene un acabado pulido de alta precisión.
Cáncamo de la cabeza
El cáncamo de la cabeza permite conectar el extremo de la cabeza del cilindro a la máquina o al implemento.
Cáncamo del vástago
El cáncamo del vástago permite conectar el extremo del vástago del cilindro a la máquina o al implemento.
Tapa o Cabeza del cilindro
La tapa del cilindro rodea el extremo abierto del vástago y tiene una abertura por la que el vástago entra y sale del cilindro. Puede ir atornillada al cilindro o unida a él por medio de pernos de anclaje o de Bridas empernadas. La tapa del cilindro a veces tiene una lumbrera.
Puntos de conexión
Proporcionan pasajes para el aceite de suministro y de retorno.
Pistón
Es un disco de acero unido al extremo del vástago. La presión hidráulica que se ejerce sobre cualquiera de los lados del pistón hace que el vástago se mueva.
Tuerca del pistón
Fija el vástago al pistón.
Tipos de cilindros
Cilindro de efecto único o simple efecto
Es impulsado hidráulicamente en un sólo sentido. El aceite que entra en una sola lumbrera hace que el actuador se extienda. El peso de la carga retrae el actuador.
Cilindro de doble efecto
Es impulsado hidráulicamente en dos sentidos. El aceite a presión entra en el
extremo de la cabeza del cilindro para extenderlo. El aceite sale a presión del
extremo del vástago y regresa al tanque. Para retraer el cilindro, se envía aceite a alta presión al extremo del vástago.
Cilindro telescópico de efecto único o simple efecto
Tiene un vástago interior y uno exterior. El vástago exterior se extiende primero hasta que queda totalmente extendido, después se extiende el vástago interior. Ambas secciones se retraen por gravedad
Cilindro telescópico de doble efecto
Tiene un vástago interior y uno exterior. El vástago exterior se extiende primero hasta que queda totalmente extendido, después se extiende el vástago interior. El aceite retrae primero el vástago interior, y después el
vástago exterior. Algunos cilindros utilizan la gravedad para retraer el vástago exterior.
Cilindro de dos vástagos
Tiene un pistón con un vástago en cada extremo. Esto proporciona un área de trabajo de igual efectividad a ambos lados del pistón y equilibra las presiones de trabajo del cilindro ya sea en la posición de extensión como en la de retracción.
Nomenclatura ISO
Los cilindros son representados en los diferentes diagramas con símbolos de la norma ISO.
Sellos de los cilindros
Un cilindro hidráulico tiene varios sellos:
- Sello limpiador.- Evita que la suciedad penetre en el cilindro.
- Sello amortiguador.- Es el sello secundario del vástago y su función consiste en evitar que los picos de presión lleguen al sello del vástago.
- Sello del pistón.- Proporciona un sellado entre el pistón y el tubo del cilindro. Esto reduce las fugas que se producen entre el vástago y el extremo de cabeza del pistón
- Anillo de desgaste del pistón.- Centra el pistón en el tubo del cilindro y evita que el pistón raye al tubo.
- Sello del vástago.- Es el sello principal del vástago y su función es sellar el aceite dentro del cilindro para evitar las fugas.
- Anillo de desgaste del vástago.- Es un manguito que centra el vástago en la tapa y evita que la tapa raye el vástago.
- Sello de la tapa.- Mantiene la presión del sistema y evita las fugas entre la tapa y el tubo del cilindro.
Tipos de sellos
Hay tres términos que se utilizan frecuentemente para describir los sellos del
cilindro:
Los sellos dinámicos son los que se utilizan entre las superficies en las cuales se produce movimiento.
Los sellos estáticos se utilizan entre las superficies donde no hay movimiento.
Los sellos de sobre medida se utilizan en los cilindros que están rectificados a sobre medida y que requieren sellos de tapa, sellos de pistón y anillos de desgaste del pistón de sobre medida (0,030 ó 0,060 pulgadas).
Amortiguadores
Una característica adicional de algunos cilindros hidráulicos son los amortiguadores. Estos dispositivos reducen la velocidad del pistón a medida que el vástago se acerca al extremo de su carrera, amortiguando el impacto.
Amortiguador integral en el extremo de la cabeza
Este elemento amortigua el extremo de la cabeza cuando éste llega a la posición de retracción total, cerrando un orificio en el conducto, lo que disminuye la velocidad del pistón. A medida que el pistón se retrae, el
amortiguador entra en el pequeño espacio cilíndrico situado en el extremo del
cilindro. Esta acción disminuye el espacio del conducto de salida, limitando así el flujo de aceite y reduciendo la velocidad de desplazamiento del vástago.
Válvulas de derivación del pistón
Otro tipo de componente que protege el cilindro es la válvula de derivación del
pistón. Estas válvulas son de carrete y están situadas en el pistón. Durante el movimiento de extensión y retracción, la presión de aceite mantiene las válvulas cerradas.
A medida que el pistón se acerca al extremo de su carrera en cualquier sentido, las válvulas se abren permitiendo que el aceite a presión descargue en el tanque.
Estas válvulas se utilizan en los tractores de cadenas medianos y grandes.
Evitan los daños estructurales, especialmente cuando la hoja topadora está
inclinada y el operador la eleva hasta la posición de máximo levante.
Localización, solución de problemas y atención técnica de cilindros
De todos los componentes de un sistema hidráulico móvil, los cilindros son los que trabajan más duro. Llevan toda la carga de los implementos y están sometidos a un fuerte medio de trabajo que es donde trabajan muchas máquinas Caterpillar.
¿Cómo fallan los cilindros?
- Fugas interiores y exteriores.
- Roturas.
- Daños físicos.
¿Por qué fallan los cilindros?
- Los contaminantes ocasionan picaduras y rayaduras.
- Exceso de presión.
- Montaje inadecuado.
- Desgaste.
- Abuso en la operación.
Señales de fallas
- Fugas de aceite.
- Debilitamiento hidráulico más allá de las especificaciones (solamente se aplica cuando el vástago está extendido).
- Rajaduras de los componentes.
- Picaduras y rayaduras del vástago.
- Los implementos se bajan.
ACUMULADORES
Funciones de los acumuladores
Los acumuladores son recipientes que almacenan el aceite hidráulico a presión. Se utilizan en una serie de aplicaciones en los productos Caterpillar.
El depósito de aceite y presión que contienen los acumuladores proporciona cuatro funciones básicas en los sistemas hidráulicos móviles.
- Compensa las variaciones de flujo.
- Mantiene una presión constante.
- Absorbe los impactos.
- PROPORCIONA PRESIÓN Y FLUJO DE EMERGENCIA.
Compensación de las variaciones
de flujo
En algunos sistemas, a veces la demanda de flujo puede sobrepasar las capacidades de los tanques y las bombas. En estos casos, el
acumulador puede suministrar provisoriamente el caudal necesario.
Cuando la operación regresa a la normalidad, el acumulador se vuelve a llenar de aceite.
Mantiene la presión constante
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
Amortiguación
Los cambios repentinos de carga pueden ocasionar sobrecargas de presión en el sistema. El acumulador funciona como un amortiguador recibiendo el aceite de la sobrecarga y dejándolo salir una vez pasada la sobrecarga
Proporciona presión y flujo de
emergencia
Si el motor pierde potencia, el acumulador puede suministrar presión y flujo hidráulico al sistema durante un período de tiempo
limitado
Tipos de acumuladores
Hay tres tipos básicos:
- Acumulador contrapesado
- Acumulador de resorte
- Acumulador cargado con gas
Acumulador contrapesado
El acumulador contrapesado es el tipo de acumulador más antiguo. Consta de un cilindro, pistón, empaquetadura (sellos) y una pesa.
A medida que la presión del sistema aumenta, el cilindro se llena de aceite, el
pistón y la pesa son empujados hacia arriba. A medida que la presión del sistema disminuye, la fuerza de esa pesa obliga al pistón a que descienda, haciendo que el aceite regrese al sistema.
El acumulador proporciona una presión estable, pero es demasiado pesado y
voluminoso para los sistemas móviles.
Acumulador de resorte
El acumulador de resorte consta de un resorte, un pistón y un cilindro. A medida que la presión del sistema aumenta, el cilindro se llena de aceite, haciendo que el pistón suba y comprima el resorte.
Cuando la presión del sistema disminuye, el resorte se descomprime, haciendo que el aceite regrese al sistema. Los acumuladores de resorte se utilizan raras veces en sistemas hidráulicos móviles.
Acumulador cargado por gas
El acumulador cargado con gas es el tipo de acumulador que más se utiliza en las máquinas Caterpillar. Consta de un cilindro, un pistón o cámara de aire y una válvula de carga.
El aceite que entra en el cilindro empuja el pistón 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 un mantenimiento cuidadoso.
Símbolo ISO de un acumulador:
Localización y solución de problemas para Acumuladores
Los acumuladores requieren un mantenimiento cuidadoso y periódico para
garantizar un funcionamiento adecuado.
¿Cómo fallan los acumuladores?
- Fuga de gas o aceite internas o externas.
- Ruptura de la cámara de aire.
- Daño externo.
- Resortes rotos o débiles.
¿Por qué fallan los acumuladores?
- Instalación incorrecta.
- Demasiada / poca carga.
- Falla del sello del pistón.
- Falla de la válvula de carga.
- Agrietamiento / fatiga de la cámara de aire.
Indicadores de avería
- Respuesta lenta o errática del implemento.
- Fugas visibles.
- Incapacidad de absorber impactos.
- Funcionamiento deficiente.
Opciones de atención técnica
- Reemplace componentes (válvulas, cámara de aire, resortes, pistón o sellos)
- Recargue con gas.
- Reemplace el acumulador.
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