Noria Corporation. Traducción por Roberto Trujillo Corona, Noria Latín América

Fue hasta el comienzo de la revolución industrial cuando un mecánico británico llamado Joseph Bramah aplicó el principio de la ley de Pascal en el desarrollo de la primera prensa hidráulica. En 1795, patentó su prensa hidráulica, conocida como prensa Bramah. Bramah pensó que si una fuerza pequeña en un área pequeña creaba una fuerza proporcionalmente mayor en un área más grande, el único límite de la fuerza que puede ejercer una máquina es el área en la que se aplica la presión.

¿Qué es un sistema hidráulico?
Los sistemas hidráulicos se pueden encontrar hoy en una amplia variedad de aplicaciones, desde pequeños procesos de ensamblaje hasta aplicaciones integradas en fábricas de acero y papel. La hidráulica permite al operador realizar un trabajo significativo (levantar cargas pesadas, girar un eje, perforar orificios de precisión, etc.) con una inversión mínima en articulaciones mecánicas mediante la aplicación de la ley de Pascal, que establece:
“La presión aplicada en cualquier punto sobre un fluido confinado se transmite sin disminuir a través del fluido en todas las direcciones y actúa sobre cada parte del recipiente confinado en ángulo recto con sus superficies interiores con la misma intensidad y sobre todas las áreas por igual (Figura 1)”.

Figura 1 - Ley de Pascal

Figura 1 – Ley de Pascal

Al aplicar la ley de Pascal y la aplicación de Brahma, es evidente que una fuerza de entrada de 100 libras en 10 pulgadas cuadradas desarrollará una presión de 10 libras por pulgada cuadrada en todo el recipiente confinado. Esta presión soportará un peso de 1000 libras si el área del peso es de 100 pulgadas cuadradas.
El principio de la ley de Pascal se realiza en un sistema hidráulico mediante el fluido hidráulico que se utiliza para transmitir la energía de un punto a otro. Debido a que el fluido hidráulico es casi incompresible, puede transmitir energía instantáneamente.

Componentes del sistema hidráulico
Los componentes principales de un sistema hidráulico son el depósito, la bomba, la(s) válvula(s) y los actuadores (motor, cilindro, etc.).

Depósito
El propósito del depósito hidráulico es retener un volumen de fluido, transferir calor desde el sistema, permitir que los contaminantes sólidos se asienten y facilitar la liberación de aire y humedad del fluido.

Bomba
La bomba hidráulica convierte la energía hidráulica en energía mecánica. Esto se hace mediante el movimiento del fluido, que es el medio de transmisión. Hay varios tipos de bombas hidráulicas, entre las que se incluyen las de engranajes, paletas y pistones. Todas estas bombas tienen diferentes subtipos destinados a aplicaciones específicas, como una bomba de pistón de eje inclinado o una bomba de paletas de desplazamiento variable. Todas las bombas hidráulicas funcionan según el mismo principio, que consiste en desplazar el volumen de fluido contra una carga o presión resistente.

Válvulas
Las válvulas hidráulicas se utilizan en un sistema para iniciar, detener y dirigir el flujo del fluido. Las válvulas hidráulicas están formadas por cartuchos o carretes y pueden ser accionadas por medios neumáticos, hidráulicos, eléctricos, manuales o mecánicos.

Actuadores
Los actuadores hidráulicos son el resultado final de la ley de Pascal. Aquí es donde la energía hidráulica se convierte de nuevo en energía mecánica. Esto se puede hacer mediante el uso de un cilindro hidráulico que convierte la energía hidráulica en movimiento y trabajo lineales, o un motor hidráulico que convierte la energía hidráulica en movimiento y trabajo rotativos. Al igual que con las bombas hidráulicas, los cilindros hidráulicos y los motores hidráulicos tienen varios subtipos diferentes, cada uno destinado a aplicaciones específicas de diseño.

Componentes hidráulicos lubricados clave

Hay varios componentes en un sistema hidráulico que se consideran componentes vitales debido al costo de reparación o la criticidad de la misión, incluidas las bombas y válvulas. Las distintas configuraciones de bombas deben tratarse de forma individual desde una perspectiva de lubricación. Sin embargo, independientemente de la configuración de la bomba, el lubricante seleccionado debe inhibir la corrosión, cumplir con los requisitos de viscosidad, exhibir estabilidad térmica y ser fácilmente identificable (en caso de una fuga).

Bombas de paletas

Hay muchas variaciones de bombas de paletas disponibles entre los fabricantes. Todos trabajan con principios de diseño similares. Un rotor ranurado está acoplado al eje de transmisión y gira dentro de la cámara de la bomba; está desplazado o excéntrico al eje de transmisión. Las paletas se insertan en las ranuras del rotor y siguen la superficie interior de la cámara de la bomba a medida que gira el rotor.
Las paletas y la superficie interior de la cámara están siempre en contacto y están sujetas a un gran desgaste. A medida que las dos superficies se desgastan, las paletas salen más de su ranura. Las bombas de paletas entregan un flujo constante a un alto costo. Las bombas de paletas operan en un rango de viscosidad normal entre 14 y 160 cSt a temperatura de operación. Las bombas de paletas pueden no ser adecuadas en sistemas hidráulicos de alta presión críticos donde la contaminación y la calidad del fluido son difíciles de controlar. El desempeño del aditivo antidesgaste por lo general es muy importante con las bombas de paletas.

Bombas de pistones
Como con todas las bombas hidráulicas, las bombas de pistones están disponibles en diseños de desplazamiento fijo y variable. Las bombas de pistones son generalmente el tipo de bomba más versátil y resistente y ofrecen una variedad de opciones para cualquier tipo de sistema. Las bombas de pistones pueden funcionar a presiones superiores a 6,000 psi, son muy eficientes y producen relativamente poco ruido. Muchos diseños de bombas de pistones también tienden a resistir el desgaste mejor que otros tipos de bombas. Estas bombas operan en un rango normal de viscosidad de fluido de 10 a 160 cSt a temperatura de operación.

Bombas de engranajes
Hay dos tipos comunes de bombas de engranajes, internas y externas. Cada tipo tiene una variedad de subtipos, pero todos desarrollan flujo al transportar el líquido entre los dientes de un conjunto de engranajes. Aunque generalmente son menos eficientes que las bombas de paletas y de pistones, las bombas de engranajes suelen ser más tolerantes a la contaminación de los fluidos.

  • Las bombas de engranajes internos producen presiones de hasta 3,500 psi. Estos tipos de bombas ofrecen un amplio rango de viscosidad hasta de 2,200 cSt, dependiendo del caudal y generalmente son silenciosas. Las bombas de engranajes internos también tienen una alta eficiencia incluso con fluidos de baja viscosidad.
  • Las bombas de engranajes externos son comunes y pueden manejar presiones de hasta 3500 psi. Estas bombas de engranajes ofrecen un suministro económico, de presión media, volumen medio y desplazamiento fijo a un sistema. Los rangos de viscosidad para este tipo de bombas están limitados a menos de 300 cSt.

Fluidos hidráulicos
Los fluidos hidráulicos actuales sirven para múltiples propósitos. La función principal de un fluido hidráulico es proporcionar transmisión de energía a través del sistema permitiendo realizar el trabajo y el movimiento. Los fluidos hidráulicos también son responsables de la lubricación, la transferencia de calor y el control de la contaminación. Al seleccionar un lubricante, considere la viscosidad, la compatibilidad con los sellos, el aceite base y el paquete de aditivos. Las tres variedades comunes de fluidos hidráulicos que se encuentran en el mercado hoy en día son elaborados con aceite base mineral, base agua y base sintética.

  • Los fluidos con aceite base mineral son los fluidos más utilizados en la actualidad. Estos fluidos ofrecen una selección de bajo costo, alta calidad y fácilmente disponible. Las propiedades de un fluido hidráulico mineral dependen de los aditivos utilizados, la calidad del petróleo original y su proceso de refinación. Los aditivos en un fluido base mineral ofrecen diversas características específicas de desempeño. Los aditivos comunes para fluidos hidráulicos incluyen inhibidores de herrumbre y oxidación (R&O), aditivos anticorrosivos, desemulsificantes, antidesgaste (AW), extrema presión (EP), antiespumante y mejorador de índice de viscosidad. Además, algunos de estos lubricantes contienen tintes de colores, lo que le permite identificar fácilmente las fugas. Debido a que las fugas hidráulicas son tan costosas (y comunes), esta característica menor juega un papel muy importante para extender la vida útil de su maquinaria y ahorrar dinero y recursos a su planta.
  • Los fluidos a base de agua se utilizan para la resistencia al fuego debido a su alto contenido de agua. Están disponibles como emulsiones de aceite en agua, emulsiones de agua en aceite (invertidas) y mezclas de agua y glicol. Los fluidos a base de agua pueden proporcionar características de lubricación adecuadas, pero deben controlarse de cerca para evitar problemas. Debido a que los fluidos a base de agua se utilizan en aplicaciones en las que se necesita resistencia al fuego, estos sistemas y la atmósfera alrededor de los sistemas pueden estar calientes.

Las temperaturas elevadas hacen que el agua de los fluidos se evapore, lo que hace que aumente la viscosidad. Ocasionalmente, será necesario agregar agua destilada al sistema para corregir el equilibrio del fluido. Siempre que se utilicen estos fluidos, se debe verificar la compatibilidad de varios componentes del sistema, incluidas bombas, filtros, tubería, accesorios y materiales de sellado.

Los fluidos a base de agua pueden ser más costosos que los fluidos de base mineral convencionales y tienen otras desventajas (por ejemplo, menor resistencia al desgaste) que deben sopesarse contra la ventaja de la resistencia al fuego.

  • Los fluidos sintéticos son lubricantes artificiales y muchos ofrecen excelentes características de lubricación en sistemas de alta presión y alta temperatura. Algunas de las ventajas de los fluidos sintéticos pueden incluir resistencia al fuego (ésteres fosfatados), menor fricción, detergencia natural (ésteres orgánicos e hidrocarburos sintetizados mejorados con ésteres) y estabilidad térmica.

La desventaja de estos tipos de fluidos es que suelen ser más caros que los fluidos convencionales, pueden ser ligeramente tóxicos y requieren procesos especiales de eliminación y, a menudo, no son compatibles con los materiales de sellado estándar.

Propiedades del fluido

Al elegir un fluido hidráulico, tenga en cuenta las siguientes características: viscosidad, índice de viscosidad, estabilidad a la oxidación y resistencia al desgaste. Estas características determinarán cómo funciona su fluido dentro de su sistema. Las pruebas de las propiedades de los fluidos se realizan de acuerdo con la Sociedad Americana de Pruebas y Materiales (ASTM) u otras organizaciones reconocidas de estándares⦁ La viscosidad (ASTM D445) es la medida de la resistencia de un fluido a fluir y al corte. Un fluido de mayor viscosidad fluirá con mayor resistencia en comparación con un fluido de baja viscosidad. Una viscosidad excesivamente alta puede contribuir a una alta temperatura del fluido y un mayor consumo de energía. La viscosidad demasiado alta o demasiado baja puede dañar un sistema y, en consecuencia, es el factor clave al considerar un fluido hidráulico.

  • El índice de viscosidad (ASTM D2270) es la forma en que cambia la viscosidad de un fluido con los cambios de temperatura. Un fluido de alto IV mantendrá su viscosidad en un rango más amplio de temperatura que un fluido de bajo IV del mismo peso. Los fluidos de alto IV se utilizan donde se esperan temperaturas extremas. Esto es particularmente importante para los sistemas hidráulicos que operan al aire libre.
  • La estabilidad a la oxidación (ASTM D2272 y otros) es la resistencia del fluido a la degradación inducida por el calor causada por una reacción química con el oxígeno. La oxidación reduce en gran medida la vida útil de un fluido, dejando subproductos como lodos y barnices. El barniz interfiere con el funcionamiento de las válvulas y puede restringir los conductos de flujo.
  • La resistencia al desgaste (ASTM D2266 y otros) es la capacidad del lubricante para reducir la tasa de desgaste en los contactos de fricción límite. Esto se logra cuando el fluido forma una película protectora sobre las superficies metálicas para evitar la abrasión, el rayado y la fatiga por contacto en las superficies de los componentes.

Aparte de estas características fundamentales, otra propiedad a considerar es la visibilidad. Si alguna vez hay una fuga hidráulica, debe detectarla desde el principio para no dañar su equipo. Optar por un lubricante teñido puede ayudarlo a detectar fugas rápidamente, lo que salva eficazmente a su planta de fallas en la maquinaria.

Diez pasos para verificar el rango de viscosidad óptimo

Al seleccionar lubricantes, asegúrese de que el lubricante funcione de manera eficiente en los parámetros operativos de la bomba del sistema o el motor. Es útil tener un procedimiento definido para seguir el proceso. Considere un sistema simple con una bomba de engranajes de desplazamiento fijo que impulsa un cilindro (Figura 2).

Figura 2. Bomba de engranajes

Figura 2. Bomba de engranajes

 

  • Recopile todos los datos relevantes para la bomba. Esto incluye recopilar todas las limitaciones de diseño y las características operativas óptimas del fabricante. Lo que busca es el rango de viscosidad de funcionamiento óptimo para la bomba en cuestión. La viscosidad mínima es 13 cSt, la viscosidad máxima es 54 cSt y la viscosidad óptima es 23 cSt.
  • Compruebe las condiciones reales de temperatura de funcionamiento de la bomba durante el funcionamiento normal. Este paso es extremadamente importante porque proporciona un punto de referencia para comparar diferentes fluidos durante la operación. La bomba funciona normalmente a 48 ºC.
  • Recopile las características de viscosidad-temperatura del lubricante en uso. Se recomienda el sistema de clasificación de viscosidad ISO (cSt a 40 ºC y 100 ºC). La viscosidad es 32 cSt a 40 ºC y 5.1 cSt a 100 ºC.
  • Obtenga una tabla de viscosidad-temperatura estándar ASTM D341 para productos fluidos del petróleo. Esta tabla es bastante común y se puede encontrar en la mayoría de las guías de lubricantes industriales (Figura 3) o con proveedores de lubricantes.
Figura 3. Tabla de viscosidad-temperatura

Figura 3. Tabla de viscosidad-temperatura

  • Usando las características de viscosidad del lubricante que se encuentran en el Paso 3, comience en el eje de temperatura (eje x) de la tabla y desplácese hasta encontrar la línea de 40 ºC. En la línea de 40 ºC, siga hacia arriba hasta que encuentre la línea correspondiente a la viscosidad de su lubricante a 40 ºC según lo publicado por el fabricante de su lubricante. Cuando encuentre la línea correspondiente, haga una pequeña marca en la intersección de las dos líneas (líneas rojas, Figura 4).
  • Repita el Paso 5 para las propiedades del lubricante a 100 ºC y marque el punto de intersección (línea azul oscuro, Figura 4).
  • Conecte las marcas trazando una línea recta (línea amarilla, Figura 4). Esta línea representa la viscosidad del lubricante en un rango de temperaturas.
  • Utilizando los datos del fabricante para la viscosidad operativa óptima de la bomba, encuentre el valor en el eje vertical de viscosidad de la tabla. Dibuje una línea horizontal a lo largo de la página hasta que llegue a la línea amarilla de viscosidad versus temperatura del lubricante. Ahora dibuje una línea vertical (línea verde, Figura 4) en la parte inferior de la tabla desde la línea amarilla de viscosidad versus temperatura donde se cruza con la línea horizontal de viscosidad óptima. Donde esta línea se cruza, el eje de temperatura es la temperatura óptima de funcionamiento de la bomba para este lubricante específico (48 ºC).
  • Repita el Paso 8 para las viscosidades máxima continua y mínima continua de la bomba (líneas marrones, Figura 4). El área entre las temperaturas mínima y máxima es la temperatura de funcionamiento mínima y máxima permitida de la bomba para el producto lubricante seleccionado.
  • Encuentre la temperatura de funcionamiento normal de la bomba en la tabla usando el escaneo de la pistola de calor realizado en el Paso 2. Si el valor está dentro de las temperaturas mínima y máxima como se indica en la tabla, el fluido es adecuado para su uso en el sistema. Si no es así, debe cambiar el fluido a un grado de viscosidad más alto o más bajo según corresponda. Como se muestra en la tabla, las condiciones normales de operación de la bomba están fuera del rango adecuado (área marrón, Figura 4) para nuestro lubricante en particular y tendrá que buscarse uno adecuado (por uno de mayor grado de viscosidad y posiblemente con un más alto índice de viscosidad).
Figura 4. Pasos para verificar el rango de viscosidad óptimo

Figura 4. Pasos para verificar el rango de viscosidad óptimo

Consolidación de fluidos hidráulicos
El propósito de la consolidación de fluidos hidráulicos es reducir la complejidad y el inventario. Se debe tener cuidado para considerar todas las características críticas del fluido requeridas para cada sistema. Por lo tanto, la consolidación de fluidos debe comenzar a nivel del sistema. Tenga en cuenta lo siguiente al consolidar los fluidos:

  • Determine los requisitos específicos de cada equipo. Tenga en cuenta todos los límites operativos normales de su equipo.
  • Hable con su representante de lubricantes preferido. Puede recopilar y transmitir información importante sobre las necesidades de lubricación de su equipo. Esto asegurará que su proveedor tenga todos los productos que necesita. No sacrifique los requisitos del sistema para lograr la consolidación.
    Además, observe las siguientes prácticas de manejo de fluido hidráulico.
  • Implemente un procedimiento para etiquetar todos los lubricantes y todos los depósitos. Esto minimizará la contaminación cruzada y asegurará que se cumplan los requisitos de desempeño críticos.
  • Utilice un método de primero en entrar, primero en salir (PEPS/FIFO) en su instalación de almacenamiento de lubricante. Un sistema PEPS ejecutado correctamente reduce la confusión y las fallas del lubricante inducidas por el almacenamiento.

Los sistemas hidráulicos son complicados sistemas basados ​​en fluidos para transferir energía y convertir esa energía en trabajo útil. Las operaciones hidráulicas exitosas requieren la selección cuidadosa de fluidos hidráulicos que satisfagan las demandas del sistema. La selección de la viscosidad es fundamental en una correcta selección de fluidos.
También hay otros parámetros importantes a considerar, incluido el índice de viscosidad, la resistencia al desgaste y la resistencia a la oxidación.