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.
ENFRIADORES
Función del enfriador de aceite
Como los componentes del sistema hidráulico trabajan a alta presión, el calor
se va acumulando en el aceite. Si las temperaturas aumentan demasiado,
pueden ocasionar que se dañen 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.
Tipos de Enfriador
Enfriador de aire 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.
Enfriador de agua a aceite
En este tipo de enfriador, el agua pasa
por una serie de tubos que enfrían al aceite.
Localización y solución de problemas para enfriadores de aceite
Los enfriadores de aceite deben mantenerse en buenas condiciones de
operación ya que el recalentamiento puede dañar seriamente muchos
componentes hidráulicos.
¿Cómo fallan los enfriadores?
- Taponamiento interno.
- Obstrucción externa de las aletas (aire - aceite)
- Fatiga de los tubos y las aletas debido a la vibración.
- Tubos doblados, rotos o perforados.
¿Por qué fallan los enfriadores?
- Mantenimiento inadecuado.
- Daños externos.
Señales de falla
- Fugas de aceite.
- Temperatura de aceite anormalmente alta.
- Carretes de válvulas pegajosas y barnizadas debido a recalentamiento.
- Diferencia anormal de temperatura entre la entrada y la salida del enfriador.
Opciones de servicio
- Limpie las aletas.
- Reemplace (No intente limpiar los tubos del enfriador de agua a aceite)
MALLAS Y FILTROS
Para mantener los componentes hidráulicos funcionando adecuadamente. El fluido hidráulico debe mantenerse tan limpio como sea posible. Materia extraña y partículas de metal provenientes del desgaste natural de válvulas, bombas, y otros componentes intentan ingresar al sistema. Mallas, filtros y tapones magnéticos son usados para remover partículas extrañas del fluido hidráulico y protegen el sistema efectivamente contra la contaminación. Tapones magnéticos, localizados en los reservorios son usados para retirar las
partículas de hierro o acero del fluido.
MALLAS O REJILLAS (SCREENS)
Una Malla o rejilla es el sistema de filtración primaria que retira partículas relativamente grandes o material extraño del fluido. Aún cuando la acción filtrante de una rejilla no es tan buena como la de un filtro, una rejilla ofrece menos resistencia al flujo. Una rejilla usualmente consiste de un marco de metal envuelto en una fina malla de alambre o un elemento que sirve de tamiz.
Las rejillas son usadas en la entrada de las líneas de las bombas, donde las caídas de presión deben mantenerse al mínimo.
La figura 2t45 muestra una rejilla en tres arreglos posibles usados en el ingreso de las líneas de las bombas.
FILTROS
Un filtro remueve partículas pequeñas extrañas del fluido hidráulico y es más
efectivo para proteger el sistema hidráulico. Los filtros están localizados en un reservorio, una línea de presión, una línea de retorno, o en cualquier otro sitio donde sea necesario.
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.
Diseño del filtro
Existen básicamente dos 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.
UBICACIONES DEL FILTRO
Un sistema hidráulico puede requerir varios filtros, cada uno con su propio
propósito y ubicación.
a) Filtro presurizado.- El filtro presurizado evita que las partículas finas
contaminantes penetren en las válvulas y los accionadores y puede ser
un filtro del tipo de superficie o del tipo de profundidad.
b) Filtro de succión.- El filtro de succión evita que los contaminantes de
gran tamaño penetren en las bombas y demás componentes. Hay muy
poca caída de presión entre la entrada y la salida, para evitar la
cavitación de la bomba. Los filtros de succión por lo general son filtros de
superficie.
c) Filtro de drenaje de la caja del motor o de la bomba.- Elimina los
residuos que se producen con el desgaste o falla de un motor o bomba.
Es un filtro de baja presión y poco volumen y puede ser del tipo de tubo o
enroscable.
d) Filtro de retorno.- El filtro de retorno elimina los contaminantes que
entran en el sistema durante la operación, evitando que penetren en el
tanque. Es un filtro de superficie.
VÁLVULAS DE DERIVACIÓN (BY PASS)
La mayoría de los filtros de tubo y enroscables están equipados con válvulas
de derivación de filtro para garantizar que el flujo del sistema nunca quede bloqueado. Hay dos situaciones que pueden ocasionar dicho bloqueo:
- Una acumulación de contaminantes que obstruya el filtro.
- Es posible que el aceite frío sea demasiado espeso para pasar por el filtro.
Cualquiera de las dos situaciones puede afectar el rendimiento del sistema u
ocasionar daños a los componentes.
La válvula de derivación por lo general es una válvula de contrapunto accionada por resorte. A medida que disminuye el caudal que pasa por el filtro debido a los taponamientos o a que el aceite se espesa o enfría, aumenta la presión en el lado de entrada.
Cuando la diferencia de presión llega a un límite predeterminado, llamado presión de apertura, la válvula de contrapunto se abre, permitiendo que el aceite se desvíe sin pasar por el elemento. El aceite derivado no está filtrado, y se debe dar servicio al filtro lo antes posible. En el caso del aceite frío, la
válvula de derivación se cerrará tan pronto como se caliente el aceite.
Localización y solución de problemas para filtros
Los filtros de aceite son artículos de mantenimiento, diseñados para que se
les dé servicio o sean reemplazados periódicamente.
¿Cómo fallan los filtros?
En cada una de estas situaciones, el aceite contaminado se desvía y no pasa
por el filtro:
- Los filtros se taponan.
- Los filtros se deforman y estropean.
- El filtro no asienta bien.
¿Por qué fallan los filtros?
- No se presta atención a los intervalos de servicio del filtro.
- Daños externos.
- Instalación incorrecta.
- Contaminantes raros.
- Fallas de componentes.
Indicadores de fallas
- Aceite sucio.
- Desgaste acelerado de los componentes de las válvulas.
- Bomba con ruido.
- Alarma de la válvula de derivación.
Opciones de Servicio
- Siga las recomendaciones de intervalos de servicio para su vehículo.
- Utilice siempre los filtros apropiados de Caterpillar.
- Drene el aceite contaminado y reemplazar por aceite y filtro(s) limpios.
Módulo 6
COMPONENTES GENERADORES
DE FLUJO
El propósito de este módulo es entender el funcionamiento de los componentes generadores de flujo de un sistema hidráulico.
Bombas y motores son similares en construcción, pero diferentes en sus
características operacionales, por lo tanto la mayor parte del material de este módulo se concentrará en la nomenclatura y operación de bombas.
BOMBAS Y MOTORES
Funciones
Las bombas hidráulicas convierten la energía mecánica en energía hidráulica
en forma de flujo de fluido.
Las bombas producen solamente caudal o flujo (en galones por minuto, litros por minuto, centímetros cúbicos por revolución, etc.) el mismo que es utilizado en un sistema hidráulico. Las bombas NO GENERAN PRESION. La presión es originada por la resistencia al flujo. Esta resistencia es causada por los diferentes componentes del sistema como mangueras, válvulas, orificios,
acoplamientos, conexiones, cilindros, motores o cualquier otro componente que se encuentre en el camino del flujo hacia el tanque.
Aunque las bombas no generan directamente presión hidráulica, deben
diseñarse para soportar los requisitos de presión del sistema. Por lo general, cuanto mayor sea la presión de operación, mayor será la bomba.
Tipos de Bombas
Las bombas pueden ser clasificadas dentro de dos grandes grupos:
- Bombas de desplazamiento NO POSITIVO.
- Bombas de desplazamiento POSITIVO.
Bombas de desplazamiento NO POSITIVO
Las bombas de desplazamiento NO POSITIVO presentan mayores espacios
(holgura) entre sus partes móviles y estacionarias que sus similares de
desplazamiento POSITIVO. Esta mayor holgura permite que una mayor cantidad de líquido pueda recircular entre las partes cuando la presión (resistencia al flujo) de salida aumenta.
Este tipo de bombas son menos eficientes debido a que el flujo de salida decrece considerablemente con el aumento de la presión de salida. Estas bombas generalmente son presentadas en dos tipos:
- Centrífugas
- Axiales
Estas son utilizadas en aplicaciones de baja presión como bombas de agua de automóviles, bombas de agua para suministro doméstico e industrial y como bombas de carga para bombas de pistón en sistemas hidráulicos de alta presión.
Bombas Centrífugas
La bomba centrífuga consiste en dos porciones básicas: el impulsor (2) que
se monta en el eje de entrada (4) y la cubierta (3). El impulsor tiene una parte
posterior sólida o disco con láminas curvadas (1) moldeadas en el lado de la
entrada. El líquido ingresa al centro de la cubierta (5) cerca del eje de entrada y
fluye por el impulsor. Las láminas curvadas del impulsor propulsan el líquido hacia fuera, contra la cubierta. La cubierta esta moldeada de tal forma que direcciona el líquido al puerto de salida.
Bombas Axiales
El tipo axial se asemeja a un ventilador eléctrico de aire. Se monta en un tubo recto y tiene un propulsor aplanado abierto. El líquido es propulsado abajo del tubo por la
rotación de las láminas anguladas.
Bombas de desplazamiento POSITIVO
Son las bombas que siempre generan flujo cuando están funcionando. La mayoría de las bombas que se utilizan en las máquinas Caterpillar son de este tipo. Hay tres tipos básicos de bombas de desplazamiento positivo:
- De engranajes
- De paletas
- De pistón
Las bombas de desplazamiento positivo tienen holguras (espacios) entre
componentes mucho más pequeños. Esto reduce las fugas y proporciona mayor eficiencia cuando se utiliza en sistemas hidráulicos de alta presión. El flujo de la salida en una bomba de desplazamiento positivo es básicamente igual para cada revolución de la bomba. Las bombas de desplazamiento positivo son clasificadas por el control de flujo de salida y por su construcción.
Dentro de la clasificación por el control de flujo de salida tenemos:
- De caudal fijo (desplazamiento fijo): Son las que mueven un volumen constante o fijo de fluido en cada revolución de la bomba. Las bombas de engranajes y algunas bombas de paletas son bombas de caudal fijo.
- De caudal variable (desplazamiento variable): Pueden ajustar el volumen del fluido que se impele durante cada revolución. Este caudal puede ser controlado manual o automáticamente. En algunos casos se puede encontrar una combinación de ambos controles. Las bombas de pistones y algunas bombas de paletas pueden ser de caudal variable
- Bi-direccionales: Son reversibles y pueden accionarse en cualquier sentido.
- De presión compensada: Son bombas de caudal variable equipadas con un dispositivo de control que ajusta la salida de la bomba para mantener la presión deseada en el sistema.
Se debe considerar que una bomba hidráulica tiene compensación de presión
de tres formas:
- Una bomba que está equipada con una válvula compensadora de presión para limitar la presión máxima del sistema.
- Una bomba que varía el flujo de salida para mantener un diferencial de presión determinado. Se utilizan servo-válvulas o carretes de margen para enviar la señal a la bomba.
- Una bomba que mantiene un régimen de flujo (caudal) determinado aún cuando aumenta la presión de carga.
Asimismo, se pueden clasificar por el diseño o construcción de dos maneras:
- Por la presión máxima del sistema (es decir 21,000 kPa o 3,000 PSI) a la cual la bomba esta diseñada para funcionar.
- Por el flujo de salida específico entregado a una revolución o velocidad dada y a una presión específica. Ejemplo: LPM @ RPM @ kPa o por gpm @ RPM @ PSI (es decir 380 LPM @ 2000 RPM @ 690 kPa o 100 gpm @ 2000 RPM @ 100 psi).
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.
Componentes
Los componentes de una bomba de
engranajes se identifican en la siguiente ilustración:
- Sellos
- Plancha de presión
- Engranaje loco
- Engranaje de impulsión
- Caja
Funcionamiento de la bomba de engranajes
Un eje de impulsión hace girar el engranaje impulsor, el cual hace girar el engranaje loco. A medida que giran los engranajes, los dientes del engranaje forman un sello contra la caja. El aceite entra por la lumbrera de entrada quedando atrapado entre los dientes y la caja, es impulsado y obligado a salir por la lumbrera de salida.
Bombas de Paletas
Las bombas de paletas son bombas de caudal positivo y fijo. Estas bombas de larga duración y suave funcionamiento son de uso frecuente.
Componentes
Los componentes de una bomba de
paletas son los siguientes:
- Caja del extremo
- Plancha flexible
- Rotor
- Anillo excéntrico
- Paletas
- Sello
- Caja del extremo
Funcionamiento de la bomba de paletas
Un eje de impulsión gira el rotor. El aceite penetra en la cámara creada entre las dos paletas y la caja, es impulsado hacia la lumbrera de salida. La bomba de paletas consiste en: un anillo de leva, paletas y un rotor ranurado.
Bombas de paletas Caterpillar
La mayoría de las bombas de paletas Caterpillar son bombas balanceadas con un par de lumbreras de entrada y un par de salida. Las lumbreras de cada par están ubicadas en lados opuestos.
La fuerza centrífuga, los resortes o la alta presión de aceite empujan las paletas contra la superficie interior del anillo. Esto permite que las paletas se ajusten automáticamente según el desgaste.
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.
Componentes
Una bomba de pistones de caudal variable consiste en:
- Eje impulsor.
- Tambor de cilindros.
- Placa de la lumbrera.
- Pistones.
- Retenes.
- Placa de retracción.
- Plato basculante.
Funcionamiento de la bomba de pistones
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 basculante.
Cuando el plato basculante está situado en un ángulo máximo, habrá el máximo caudal.
Cuando está situado en un ángulo cero, no habrá caudal ni flujo.
Bombas de pistón de caudal fijo
Las bombas de pistones también pueden ser de caudal fijo. En este tipo de bombas se tiene un ángulo fijo del conjunto del tambor y pistones con respecto al eje de impulsión.
Bomba de pistones radiales
La bomba de pistones radiales mueve los pistones de adentro hacia fuera en línea perpendicular a la línea del eje de accionamiento. Cuando los rodillos
seguidores de las levas caen en la base de la leva en el anillo exterior, el pistón sale. La presión atmosférica o la carga de la bomba empuja el aceite a través de la válvula de admisión y llena el interior de la cámara formada por la salida del pistón. Cuando los rodillos seguidores de las levas suben a la
cresta de la leva del anillo exterior, el pistón entra. En este momento el aceite contenido en la cámara es expulsado por la válvula de salida, generándose el flujo de salida
Desplazamiento de la bomba
El desplazamiento de la bomba se calcula midiendo el volumen de fluido movido durante una revolución completa de la bomba.
Caudal de la bomba
El caudal de la bomba se calcula midiendo el volumen de fluido movido durante un tiempo determinado. Se expresa en galones por minuto o en litros por minuto (gal/min o l/min).
Cuando se exprese en volumen por revolución, el caudal pueden ser convertido fácilmente multiplicándolo por la velocidad en RPM (es decir 2000 RPM) y dividiéndolo por una constante. Por ejemplo, calculemos el flujo de una bomba que gire a 2000 RPM y tenga un flujo de 11.55 in3/rev o 190 cc/rev.
Motores
Los motores hidráulicos son actuadores que convierten la energía hidráulica en energía mecánica en forma de movimiento y fuerza giratoria. Se utilizan en las máquinas Caterpillar para impulsar cadenas, ruedas e implementos.
Funcionamiento de los motores
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 a los componentes internos. El aceite luego sale del motor a baja presión y regresa al tanque. Cuando el motor está funcionando hacia adelante, los componentes internos giran en la misma dirección.
Nomenclatura ISO
Bombas
Las bombas en el sistema ISO son identificadas por un triangulo negro dentro
de un círculo con la punta direccional apuntando al borde del mismo. Cuando una flecha cruza el círculo diagonalmente, esta indica que la bomba es de caudal variable.
Motores
Los motores en el sistema ISO son identificados por un triangulo negro dentro
de un círculo con su base apoyada al borde del circulo y la punta direccional apuntando al centro del mismo. Cuando una flecha cruza el círculo diagonalmente, esta indica que el motor es de caudal variable.
Localización, solución de problemas y atención técnica para bombas
y motores
El rendimiento y la vida útil de las bombas hidráulicas pueden verse afectados por una serie de condiciones de operación.
¿Cómo fallan las bombas y los motores?
- Fugas.
- Desgaste.
- Componentes rotos o averiados.
Por qué fallan las bombas y los motores?
- Cavitación.
- Aireación.
- Contaminación.
- Fluido inadecuado.
- Exceso de calor / presión.
- Desgaste normal.
Cavitación
Cuando una bomba o un motor no recibe aceite o recibe muy poco aceite, se forman cavidades de vapor que se desintegran en la bomba. Esto ocasiona implosiones que desgastan los componentes internos de la bomba o del motor. Además los componentes se rayan debido a la falta de lubricación.
Síntomas de la cavitación
Los síntomas de la cavitación son:
- Traqueteo peculiar.
- Operación defectuosa del implemento.
- Acumulación de calor en la bomba (la pintura de la bomba se quema).
Causas de la cavitación
- Tubería de entrada restringida (ej. filtro taponado).
- Exceso de velocidad.
- Bajo nivel de aceite.
- Viscosidad de aceite demasiado alta.
- Falla de presurización del tanque.
- Cambios no autorizados en el sistema y/o piezas de inferior calidad.
Aireación
La aireación consiste en el proceso de atrapar el aire que se encuentra en el aceite, lo que es ocasionado por las fugas de aceite en el sistema. Las burbujas explotan cuando entran en la bomba o en el motor, causando el desgaste de los componentes internos.
Síntomas de la aireación
- Ruido en la bomba o en el motor.
- Operación errática del implemento.
- Acumulación de calor en la bomba o en el motor.
- Los controles del implemento están muy suaves.
- Aceite espumoso.
Contaminación del aceite
Las bombas y los motores son susceptibles a los daños ocasionados por la suciedad, el agua y otros contaminantes abrasivos.
Causas de la contaminación
- Mantenimiento deficiente.
- Conexiones flojas en las tuberías.
- Sellos dañados.
- Hábitos de trabajo descuidados (Dejar el tanque destapado, permitir que contaminantes entren en el tanque al restablecer aceite, dejar el tanque sin la tapa de ventilación)
Viscosidad del fluido
Es importante utilizar aceite con la viscosidad apropiada.
A continuación se describen algunos problemas que pueden ocurrir si se utiliza un tipo de fluido incorrecto:
- Fluido insuficientemente viscoso:
- Aumento de fugas internas y externas.
- Patinaje de la bomba o del motor.
- Exceso de desgaste de los componentes debido a lubricación inadecuada.
- Reducción de la presión del sistema.
- Los controles del implemento están muy suaves.
- Fluido demasiado espeso:
- Aumento de la fricción interna.
- Aumento de la temperatura con la resultante acumulación de residuos lodosos.
- Operación lenta y errática.
- Se requiere más potencia para la operación.
Señales de falla
- Ruido (tanto la cavitación como la aireación producen traqueteo).
- Desempeño deficiente de la máquina.
- Reducción de capacidad.
- Operación errática.
- Los controles están muy suaves.
- Exceso de calor.
- Exceso de fugas.
- Aceite espumoso.
Módulo 7
COMPONENTES DE CONTROL VALVULAS
VÁLVULA DE COMPUERTA
El tipo de válvula más simple es la válvula de compuerta común. El flujo se controla acercando o alejando el vástago de la válvula del asiento de la válvula. Esta válvula sencilla también puede afectar la presión del circuito. A medida que se cierra la abertura entre el asiento de la válvula y el vástago, se
restringe el flujo, haciendo que caiga la presión del lado posterior a la válvula.
Este fenómeno se llama “efecto del orificio restrictor”.
VÁLVULAS DE CONTROL DE PRESIÓN
Las válvulas de control de presión son usadas para controlar la presión en el
circuito o en un sistema. La función de la válvula será la misma aunque el diseño podría cambiar. Algunas de las válvulas de control de presión que estudiaremos son válvulas de alivio, válvulas de secuencia, válvulas reductoras de presión, válvulas de presión diferencial y válvulas de descarga.
Válvulas de alivio
Los sistemas hidráulicos están diseñados para operar en un rango de presión.
Excediendo este rango podríamos dañar los componentes del sistema o podría provocar un daño personal. La válvula de alivio mantiene la presión dentro de un límite establecido al abrir y permitir que el exceso de aceite fluya, ya sea hacia otro circuito o de regreso al tanque.
Válvula de alivio simple, Presión de apertura (cracking pressure)
La figura 2b muestra una válvula de alivio simple en la posición de “presión de apertura”.
La válvula de alivio simple (también llamada válvula de actuación directa) es mantenida cerrada por la fuerza del resorte. La tensión del resorte es regulada a la “presión de alivio”. Sin embargo la presión de regulación de alivio no es la presión a la cual la válvula comienza a abrirse.
Cuando se dan las condiciones para que exista una resistencia al flujo normal de aceite, el exceso de flujo de aceite causa el incremento de la presión de aceite. Dicho incremento de presión es sensado por la válvula de alivio.
Cuando la fuerza del incremento de la presión de aceite supera la fuerza del resorte de la válvula de alivio, la válvula se mueve contra el resorte y comienza a abrirse. La presión requerida para iniciar la apertura de la válvula es llamada la presión de apertura (cracking pressure) La válvula abre justo lo suficiente para permitir que el exceso de aceite fluya a través de la válvula.
Vea imagen.
Válvula de alivio simple, regulación de la presión de alivio (relief pressure setting)
Un incremento en la resistencia al flujo de aceite, incrementa el volumen de aceite en exceso y por consiguiente incrementa la presión del circuito. El incremento de la presión del circuito supera la nueva tensión del resorte y abre más la válvula de alivio.
El proceso es repetido hasta que el máximo volumen del aceite en exceso esté fluyendo a través de la válvula de alivio. Esta es la regulación de la presión de alivio (relief pressure setting), ver imagen.
La válvula de alivio simple es comúnmente usada donde el volumen aceite en exceso es bajo o donde hay una necesidad de una respuesta rápida.
Esto hace ideal a la válvula de alivio simple para aliviar presiones picos o como una válvula de seguridad.
Válvula de Alivio Pilotada
Además de los elementos de una válvula simple, cuenta también con una válvula adicional o piloto, más pequeña, que regula la presión, lo cual permite que la válvula se abra y se cierre ante fluctuaciones menores en el sistema.
Esto elimina el ruido y permite un control más preciso Ante mayores requerimientos de alivio primero la válvula más pequeña se abre, se produce una mayor diferencia de presión en el carrete más grande, lo que hace que la válvula mayor, con el resorte ligero, se abra y deje pasar el aceite.
Válvula de secuencia, Posición abierta
Cuando la presión en la cámara del resorte de la válvula de descarga excede la regulación del resorte de la válvula piloto. La válvula piloto se abre. La válvula piloto abierta permite al aceite en la cámara del resorte de la válvula de descarga fluir hacia el tanque.
Esto permite que la presión del aceite en dicha cámara disminuya. La fuerza de la presión de aceite mayor del sistema mueve la válvula de descarga contra la fuerza del resorte de la válvula de descarga y abre el pasaje al circuito 2. La válvula de secuencia permanece abierta hasta que la presión en
el circuito 1 disminuya a menos de la presión de regulación del resorte.
Válvula de Reducción de Presión
Se utilizan cuando la demanda de presión de un circuito es menor que la presión de suministro. Básicamente consta de un pistón, un resorte y un carrete. La fuerza del resorte determina la máxima presión corriente debajo de la válvula. La válvula está normalmente abierta.
A medida que el flujo pasa por el carrete, la presión aumenta corriente abajo.
Al aumentar la presión en la cavidad del pistón, esta actúa contra el pistón y el carrete y comienza a cerrar la válvula hasta encontrar el equilibrio
En el arranque de la bomba
En el arranque de la bomba, La fuerza del resorte de la válvula mantiene el carrete y el pistón a la derecha. El suministro de aceite fluye alrededor del carrete de la válvula para el circuito controlado (aguas debajo de la válvula) El suministro de aceite también fluye a través del pasaje de aceite a la cámara del pistón a la derecha de la cámara del pistón. Cualquier cambio en la presión del circuito de aceite controlado es sensado por la cámara del pistón.
En el arranque de la bomba, la presión de alimentación y la presión controlada de aceite son las mismas. Ver imagen
Condición normal de operación
Cuando la presión se incrementa en el circuito, el incremento es sensado en la cámara del pistón. La presión creciente mueve el pistón a la izquierda contra el carrete de la válvula y la fuerza del resorte.
Cuando el carrete de la válvula se mueve a la izquierda, El carrete de la válvula restringe el aceite de suministro a través de la válvula y reduce la presión del circuito de aceite controlado.
El movimiento del carrete de la válvula crea un orificio variable entre el suministro y el circuito controlado. El orificio variable permite incrementar o disminuir el flujo de aceite como sea necesario para controlar la presión en el circuito controlado. El aceite en la cámara del resorte debe ser drenado. Ver
la figura
Válvulas de Diferencia de Presión.
Permite establecer una secuencia de suministro de aceite a dos circuitos, o
mantener una diferencia de presión constante entre dos circuitos.
Está compuesta por un carrete y un resorte. Inicialmente el carrete bloquea el flujo desde el circuito primario hacia el secundario. Una vez que se satisfacen los requisitos de flujo hacia el circuito primario, la presión aumenta, desplazando el carrete contra el resorte y permitiendo el flujo hacia el circuito secundario y la cámara del resorte. A medida que aumenta la presión secundaria, la válvula retrocede. La válvula constantemente ajustará su posición de forma que la presión en el circuito secundario iguale la presión en el primario menos la fuerza del resorte. Ver imágenes
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