Maquinaria hidráulica

Circuito abierto: La entrada de la bomba y el retorno del motor (a través de la válvula direccional) están conectados al depósito hidráulico. El término «circuito abierto» se refiere a la retroalimentación; el término más preciso es «circuito abierto» frente a «circuito cerrado». Los circuitos de centro abierto utilizan bombas que suministran un flujo continuo. El flujo regresa al depósito a través del centro abierto de la válvula de control; es decir, cuando la válvula de control está centrada, proporciona una vía de retorno abierta al depósito y el fluido no se bombea a alta presión. En caso contrario, si se acciona la válvula de control, dirige el fluido hacia y desde un actuador y el depósito. La presión del fluido aumentará para encontrar cualquier resistencia, ya que la bomba tiene un caudal constante. Si la presión aumenta demasiado, el fluido regresa al depósito a través de una válvula de alivio de presión. Se pueden conectar varias válvulas de control en serie. Este tipo de circuito puede utilizar bombas económicas de desplazamiento constante.

Circuito cerrado: El retorno del motor se conecta directamente a la entrada de la bomba. Para mantener la presión en el lado de baja presión, los circuitos cuentan con una bomba de carga (una pequeña bomba de engranajes) que suministra aceite refrigerado y filtrado a dicho lado. Los circuitos de circuito cerrado se utilizan generalmente para transmisiones hidrostáticas en aplicaciones móviles. Ventajas: No requiere válvula direccional y ofrece una mejor respuesta; el circuito puede funcionar a mayor presión. El ángulo de giro de la bomba cubre tanto el flujo positivo como el negativo. Desventajas: La bomba no puede utilizarse fácilmente para ninguna otra función hidráulica y la refrigeración puede ser un problema debido al limitado intercambio de flujo de aceite. Los sistemas de circuito cerrado de alta potencia generalmente deben incorporar una válvula de purga en el circuito para intercambiar un flujo mucho mayor que el flujo de fuga básico de la bomba y el motor, lo que permite una mayor refrigeración y filtración. La válvula de purga suele estar integrada en la carcasa del motor para refrigerar el aceite que circula en su interior. Las pérdidas en la carcasa del motor debido a los efectos de rotación y las pérdidas en los rodamientos de bolas pueden ser considerables, ya que las velocidades del motor alcanzarán los 4000-5000 rpm o incluso más a la velocidad máxima del vehículo. El flujo de fuga, así como el flujo de lavado adicional, deben ser suministrados por la bomba de carga. Por lo tanto, una bomba de carga grande es muy importante si la transmisión está diseñada para altas presiones y altas velocidades del motor. La alta temperatura del aceite suele ser un problema importante cuando se utilizan transmisiones hidrostáticas a altas velocidades del vehículo durante períodos prolongados, por ejemplo, al transportar la máquina de un lugar de trabajo a otro. Las altas temperaturas del aceite durante períodos prolongados reducirán drásticamente la vida útil de la transmisión. Para mantener baja la temperatura del aceite, la presión del sistema durante el transporte debe disminuirse, lo que significa que el desplazamiento mínimo para el motor debe limitarse a un valor razonable. Se recomienda una presión del circuito durante el transporte de alrededor de 200-250 bar.

Los sistemas de lazo cerrado en equipos móviles se utilizan generalmente para la transmisión como alternativa a las transmisiones mecánicas e hidrodinámicas (con convertidor). La ventaja radica en una relación de transmisión continua (velocidad/par continuamente variables) y un control más flexible de la relación de transmisión en función de la carga y las condiciones de funcionamiento. La transmisión hidrostática suele estar limitada a  una potencia máxima de alrededor de 200 kW, ya que el coste total se eleva demasiado a potencias superiores en comparación con una transmisión hidrodinámica. Por ello, las grandes cargadoras de ruedas y la maquinaria pesada suelen estar equipadas con transmisiones con convertidor. Los recientes avances técnicos en las transmisiones con convertidor han mejorado la eficiencia, y los desarrollos en el software también han mejorado sus características, por ejemplo, con programas de cambio de marchas seleccionables durante el funcionamiento y un mayor número de marchas, lo que les confiere características similares a las de la transmisión hidrostática.

Los circuitos de centro cerrado existen en dos configuraciones básicas, normalmente relacionadas con el regulador de la bomba variable que suministra el aceite:

• Sistemas de presión constante (PC), estándar . La presión de la bomba siempre es igual a la presión de ajuste del regulador. Este ajuste debe cubrir la presión de carga máxima requerida. La bomba suministra el caudal necesario a los consumidores. El sistema PC genera grandes pérdidas de potencia si la máquina funciona con grandes variaciones en la presión de carga y la presión media del sistema es mucho menor que la presión de ajuste del regulador. El sistema PC tiene un diseño sencillo y funciona como un sistema neumático. Se pueden añadir fácilmente nuevas funciones hidráulicas y el sistema tiene una respuesta rápida.
• Sistemas de presión constante , sin carga . Misma configuración básica que el sistema CP estándar, pero la bomba se descarga a una baja presión de reserva cuando todas las válvulas están en posición neutra. La respuesta no es tan rápida como en el sistema CP estándar, pero la vida útil de la bomba se prolonga.

Los sistemas de detección de carga (LS) generan menores pérdidas de potencia, ya que la bomba puede reducir tanto el caudal como la presión para ajustarse a los requisitos de carga, pero requieren un ajuste más preciso que el sistema CP en lo que respecta a la estabilidad del sistema. El sistema LS también requiere válvulas lógicas y válvulas compensadoras adicionales en las válvulas direccionales, por lo que es técnicamente más complejo y más costoso que el sistema CP. El sistema LS genera una pérdida de potencia constante relacionada con la caída de presión de regulación para el regulador de la bomba  .

${\displaystyle {\text{Pérdida de potencia}}=\Delta p_{\text{LS}}\cdot Q_{\text{tot}}}$

El promedio${\displaystyle \Delta p_{LS}}$es de aproximadamente 2 MPa (290 psi). Si el caudal de la bomba es alto, la pérdida adicional puede ser considerable. La pérdida de potencia también aumenta si las presiones de carga varían mucho. Las áreas de los cilindros, los desplazamientos del motor y los brazos de torsión mecánicos deben diseñarse para que coincidan con la presión de carga a fin de reducir las pérdidas de potencia. La presión de la bomba siempre es igual a la presión de carga máxima cuando se ejecutan varias funciones simultáneamente y la potencia de entrada a la bomba es igual a (presión de carga máxima + Δ p _LS ) x suma del caudal.

1. Detección de carga sin compensadores en las válvulas direccionales. Bomba LS controlada hidráulicamente.
2. Detección de carga con compensador aguas arriba para cada válvula direccional conectada. Bomba LS controlada hidráulicamente.
3. Detección de carga con compensador aguas abajo para cada válvula direccional conectada. Bomba LS controlada hidráulicamente.
4. Detección de carga mediante una combinación de compensadores aguas arriba y aguas abajo . Bomba LS controlada hidráulicamente.
5. Detección de carga con control eléctrico sincronizado tanto del desplazamiento de la bomba como del área de flujo de la válvula, lo que permite una respuesta más rápida, mayor estabilidad y menores pérdidas del sistema. Se trata de un nuevo tipo de sistema LS, aún en desarrollo completo.

Técnicamente, el compensador montado aguas abajo en un bloque de válvulas puede montarse físicamente "aguas arriba", pero funcionar como un compensador aguas abajo.

El sistema tipo (3) ofrece la ventaja de que las funciones activadas se sincronizan independientemente de la capacidad de flujo de la bomba. La relación de flujo entre dos o más funciones activadas permanece independiente de las presiones de carga, incluso si la bomba alcanza el ángulo de giro máximo. Esta característica es importante para máquinas que a menudo funcionan con la bomba en el ángulo de giro máximo y con varias funciones activadas que deben sincronizarse en velocidad, como las excavadoras. Con el sistema tipo (4), las funciones con compensadores aguas arriba tienen prioridad, por ejemplo, la función de dirección para una cargadora de ruedas. El sistema tipo con compensadores aguas abajo generalmente tiene una marca comercial única según el fabricante de las válvulas, por ejemplo, "LSC" (Linde Hydraulics), "LUDV" ( Bosch Rexroth Hydraulics) y "Flowsharing" (Parker Hydraulics), etc. No se ha establecido un nombre oficial estandarizado para este tipo de sistema, pero "flowsharing" es un nombre común para el mismo.

Las bombas hidráulicas suministran fluido a los componentes del sistema. La presión en el sistema se genera en respuesta a la carga. Por lo tanto, una bomba con una capacidad nominal de 5000 psi es capaz de mantener el flujo frente a una carga de 5000 psi.

Las bombas tienen una densidad de potencia aproximadamente diez veces mayor que la de un motor eléctrico (en volumen). Se alimentan mediante un motor eléctrico o un motor de combustión, conectados a través de engranajes, correas o un acoplamiento elastomérico flexible para reducir las vibraciones.

Los tipos comunes de bombas hidráulicas para aplicaciones en maquinaria hidráulica son:

• Bomba de engranajes : económica, duradera (especialmente en su versión de rotor en G), sencilla. Menos eficiente, debido a su desplazamiento constante (fijo), y principalmente adecuada para presiones inferiores a 20 MPa (3000 psi).
• Bomba de paletas : económica, sencilla y fiable. Ideal para caudales elevados y baja presión.
• Bomba de pistón axial : muchas están diseñadas con un mecanismo de desplazamiento variable para regular el caudal y controlar automáticamente la presión. Existen diversos diseños de bombas de pistón axial, como las de plato oscilante (a veces denominadas bombas de placa de válvulas) y las de bola de retención (a veces denominadas bombas de plato oscilante). La más común es la bomba de plato oscilante . Un plato oscilante de ángulo variable provoca que los pistones se desplacen alternativamente una mayor o menor distancia por rotación, lo que permite variar el caudal y la presión (un mayor ángulo de desplazamiento produce un mayor caudal y una menor presión, y viceversa).
• Bomba de pistón radial : normalmente se utiliza para presiones muy altas con caudales pequeños.

Las bombas de pistón son más caras que las de engranajes o paletas, pero ofrecen una vida útil más larga al operar a mayor presión, con fluidos difíciles y ciclos de trabajo continuos más prolongados. Las bombas de pistón constituyen la mitad de una transmisión hidrostática .

Las válvulas direccionales dirigen el fluido hacia el actuador deseado. Generalmente constan de un carrete dentro de una carcasa de hierro fundido o acero . El carrete se desliza a diferentes posiciones dentro de la carcasa, y unas ranuras y canales que se cruzan dirigen el fluido según la posición del carrete.

El carrete tiene una posición central (neutral) que se mantiene mediante resortes; en esta posición, el fluido de suministro se bloquea o regresa al depósito. Al deslizar el carrete hacia un lado, el fluido hidráulico se dirige a un actuador y se crea una vía de retorno desde el actuador al depósito. Al mover el carrete en la dirección opuesta, se invierten las vías de suministro y retorno. Cuando el carrete regresa a la posición neutral (central), las vías de fluido del actuador se bloquean, quedando fijo en su posición.

Las válvulas de control direccional suelen diseñarse para ser apilables, con una válvula para cada cilindro hidráulico y una única entrada de fluido que alimenta todas las válvulas del conjunto.

Las tolerancias son muy estrictas para soportar la alta presión y evitar fugas; los carretes suelen tener una holgura con la carcasa inferior a una milésima de pulgada (25  μm). El bloque de válvulas se montará en el bastidor de la máquina con un patrón de tres puntos para evitar su deformación y el bloqueo de los componentes sensibles de la válvula.

La posición del carrete puede accionarse mediante palancas mecánicas, presión piloto hidráulica o solenoides que lo desplazan hacia la izquierda o la derecha. Un sello permite que parte del carrete sobresalga de la carcasa, donde queda accesible al actuador.

El bloque de válvulas principal suele estar compuesto por válvulas direccionales estándar, seleccionadas según su capacidad de caudal y rendimiento. Algunas válvulas están diseñadas para ser proporcionales (el caudal es proporcional a la posición de la válvula), mientras que otras son simplemente de tipo encendido/apagado. La válvula de control es uno de los componentes más caros y delicados de un circuito hidráulico.

• Las válvulas de alivio de presión se utilizan en varios puntos de la maquinaria hidráulica: en el circuito de retorno para mantener una pequeña presión en los frenos, las líneas piloto, etc.; en los cilindros hidráulicos para evitar la sobrecarga y la rotura de las tuberías o juntas; y en el depósito hidráulico para mantener una pequeña presión positiva que impida la entrada de humedad y contaminación.
• Los reguladores de presión reducen la presión de suministro de los fluidos hidráulicos según sea necesario para los distintos circuitos.
• Las válvulas de secuencia controlan la secuencia de los circuitos hidráulicos; por ejemplo, para asegurar que un cilindro hidráulico se extienda completamente antes de que otro inicie su carrera. Los circuitos hidráulicos pueden realizar una secuencia de operaciones automáticamente, como el disparo y recierre tres veces, seguido del bloqueo, de un reconectador con interrupción de aceite . ^{[ 7 ]}
• Las válvulas de lanzadera proporcionan una función lógica o funcional.
• Las válvulas de retención son válvulas unidireccionales que permiten que un acumulador se cargue y mantenga su presión después de que la máquina se apague, por ejemplo.
• Las válvulas de retención pilotadas son válvulas unidireccionales que se pueden abrir (en ambas direcciones) ante una señal de presión externa. Por ejemplo, si la válvula de retención ya no debe soportar la carga. A menudo, la presión externa proviene de otra tubería conectada al motor o cilindro.
• Las válvulas de contrapeso son, de hecho, un tipo especial de válvula de retención pilotada. Mientras que la válvula de retención se abre o se cierra, la válvula de contrapeso funciona de forma similar a un regulador de flujo pilotado.
• Las válvulas de cartucho son, de hecho, la parte interna de una válvula de retención; son componentes estándar con una carcasa uniforme, lo que facilita su instalación en un bloque de válvulas específico. Están disponibles en diversas configuraciones: encendido/apagado, proporcional, alivio de presión, etc. Generalmente se enroscan en un bloque de válvulas y se controlan eléctricamente para proporcionar lógica y funciones automatizadas.
• Los fusibles hidráulicos son dispositivos de seguridad en línea diseñados para sellar automáticamente una línea hidráulica si la presión disminuye demasiado, o para liberar el fluido de forma segura si la presión aumenta demasiado.
• En sistemas hidráulicos complejos, las válvulas auxiliares pueden contar con bloques de válvulas auxiliares para realizar diversas funciones que el operador no percibe, como la carga del acumulador, el funcionamiento del ventilador de refrigeración, la alimentación del aire acondicionado, etc. Suelen ser válvulas diseñadas a medida para la máquina en cuestión y pueden consistir en un bloque metálico con orificios y canales perforados. Las válvulas de cartucho se enroscan en los orificios y pueden controlarse eléctricamente mediante interruptores o un microprocesador para distribuir la potencia del fluido según sea necesario.

• Cilindro hidráulico
• Motor hidráulico (una bomba conectada en sentido inverso); los motores hidráulicos de configuración axial utilizan platos oscilantes para un control de alta precisión y también en mecanismos de posicionamiento de precisión continuo (360°) sin paradas. Estos suelen ser accionados por varios pistones hidráulicos que actúan en secuencia.
• Transmisión hidrostática
• Frenos

El depósito de fluido hidráulico almacena el exceso de fluido para compensar los cambios de volumen debidos a la extensión y contracción del cilindro, la expansión y contracción por cambios de temperatura y las fugas. El depósito también está diseñado para facilitar la separación del aire del fluido y funcionar como acumulador de calor para compensar las pérdidas del sistema cuando se utiliza la máxima potencia. Además, los depósitos ayudan a separar la suciedad y otras partículas del aceite, ya que estas suelen depositarse en el fondo del tanque.

Algunos diseños incluyen canales de flujo dinámico en la trayectoria de retorno del fluido que permiten utilizar un depósito de menor tamaño.

Los acumuladores son un componente común de la maquinaria hidráulica. Su función es almacenar energía mediante gas a presión. Un tipo consiste en un tubo con un pistón flotante. A un lado del pistón se encuentra la carga de gas a presión y al otro, el fluido. En otros diseños se utilizan vejigas. Los depósitos almacenan el fluido del sistema.

Algunos ejemplos de usos de los acumuladores son el suministro de energía de respaldo para la dirección o los frenos, o su función como amortiguador para el circuito hidráulico.

También conocido como fluido para tractores , el fluido hidráulico es esencial para el funcionamiento del circuito hidráulico. Generalmente se trata de aceite de petróleo con diversos aditivos. Algunas máquinas hidráulicas requieren fluidos resistentes al fuego, según su aplicación. En algunas fábricas de alimentos, se utiliza aceite comestible o agua como fluido de trabajo por motivos de salud y seguridad.

Además de transferir energía, el fluido hidráulico debe lubricar los componentes, suspender los contaminantes y las limaduras metálicas para su transporte al filtro, y funcionar correctamente a temperaturas de varios cientos de grados Fahrenheit o Celsius.

Los filtros son una parte importante de los sistemas hidráulicos que elimina las partículas no deseadas del fluido. Las partículas metálicas se producen continuamente por los componentes mecánicos y deben eliminarse junto con otros contaminantes. ^{[ 8 ]}

Los filtros pueden ubicarse en diversas posiciones. Pueden estar situados entre el depósito y la entrada de la bomba. La obstrucción del filtro provocará cavitación y, posiblemente, la avería de la bomba. En ocasiones, el filtro se ubica entre la bomba y las válvulas de control. Esta disposición es más costosa, ya que la carcasa del filtro está presurizada, pero elimina los problemas de cavitación y protege la válvula de control de posibles fallos de la bomba. La tercera ubicación común del filtro es justo antes de que la línea de retorno entre en el depósito. Esta ubicación es relativamente insensible a la obstrucción y no requiere una carcasa presurizada, pero los contaminantes que entran en el depósito desde fuentes externas no se filtran hasta que pasan por el sistema al menos una vez. Se utilizan filtros de 7 a 15 micras, según la viscosidad del aceite hidráulico.

Los tubos hidráulicos son tuberías de acero sin costura de alta precisión, fabricadas especialmente para aplicaciones hidráulicas. Disponen de tamaños estándar para diferentes rangos de presión, con diámetros estándar de hasta 100  mm. Los fabricantes los suministran en tramos de 6 m, limpios, lubricados y con tapones. Los tubos se interconectan mediante diferentes tipos de bridas (especialmente para los tamaños y presiones mayores), conos/niples de soldadura (con junta tórica), diversos tipos de conexiones abocinadas y anillos de corte. En tamaños mayores, se utilizan tuberías hidráulicas. La unión directa de tubos mediante soldadura no es aceptable, ya que no permite la inspección del interior.

Se utilizan tuberías hidráulicas cuando no se dispone de tubos hidráulicos estándar. Generalmente, se emplean para bajas presiones. Pueden conectarse mediante roscas, pero normalmente se unen mediante soldadura. Debido a su mayor diámetro, la tubería suele poder inspeccionarse internamente después de la soldadura. La tubería negra no está galvanizada y es apta para soldar .

Las mangueras hidráulicas se clasifican según la presión, la temperatura y la compatibilidad con el fluido. Se utilizan cuando no es posible usar tuberías o conductos, generalmente para brindar flexibilidad en el funcionamiento o mantenimiento de la maquinaria. La manguera está compuesta por capas de caucho y acero. Un interior de caucho está rodeado por múltiples capas de alambre tejido y caucho. El exterior está diseñado para resistir la abrasión. El radio de curvatura de la manguera hidráulica se diseña cuidadosamente, ya que las fallas en la manguera pueden ser fatales, y exceder el radio de curvatura mínimo provocará una falla. Las mangueras hidráulicas generalmente tienen conexiones de acero prensadas en los extremos. La parte más débil de la manguera de alta presión es la conexión entre la manguera y la conexión. Otra desventaja de las mangueras es la menor vida útil del caucho, que requiere reemplazo periódico, generalmente cada cinco a siete años.

Los tubos y tuberías para aplicaciones hidráulicas se lubrican internamente antes de la puesta en marcha del sistema. Generalmente, las tuberías de acero se pintan por fuera. Cuando se utilizan acoplamientos abocinados u otros, la pintura se elimina debajo de la tuerca, lo que crea un punto donde puede comenzar la corrosión. Por esta razón, en aplicaciones marinas, la mayoría de las tuberías son de acero inoxidable.

Los componentes de un sistema hidráulico (fuentes, como bombas; controles, como válvulas; y actuadores, como cilindros) requieren conexiones que contengan y dirijan el fluido hidráulico sin fugas ni pérdida de presión. En algunos casos, los componentes se pueden atornillar entre sí con conductos de fluido integrados. Sin embargo, en la mayoría de los casos, se utilizan tubos rígidos o mangueras flexibles para dirigir el flujo entre los componentes. Cada componente cuenta con puntos de entrada y salida para el fluido (denominados puertos), dimensionados según el volumen de fluido que se espera que circule por ellos.

Existen varios métodos estandarizados para conectar la manguera o el tubo al componente. Algunos están diseñados para facilitar su uso y mantenimiento, mientras que otros son más adecuados para presiones de sistema elevadas o para controlar las fugas. El método más común, en general, consiste en proporcionar en cada componente un puerto con rosca hembra, en cada manguera o tubo una tuerca cautiva con rosca hembra, y utilizar un adaptador independiente con rosca macho compatible para conectarlos. Este sistema es funcional, económico de fabricar y de fácil mantenimiento.

Los accesorios cumplen varias funciones;

• Para unir componentes con puertos de diferentes tamaños.
• Para conectar diferentes estándares; por ejemplo , de un soporte para junta tórica a JIC , o de roscas de tubería a junta frontal .
• Para permitir la correcta orientación de los componentes, se elige, según sea necesario, un racor de 90°, 45°, recto o giratorio. Están diseñados para colocarse en la posición correcta y luego apretarse.
• Incorporar herrajes para mamparos que permitan el paso del fluido a través de una pared que obstruye el paso.
• Se puede añadir un acoplamiento de desconexión rápida a una máquina sin modificar las mangueras ni las válvulas.

Una pieza típica de maquinaria o equipo pesado puede tener miles de puntos de conexión sellados y varios tipos diferentes:

• Accesorios de tubería , el accesorio se enrosca hasta que quede bien ajustado, es difícil orientar correctamente un accesorio en ángulo sin apretarlo demasiado o demasiado poco.
• El conector para la junta tórica se enrosca en un soporte y se orienta según sea necesario. Una tuerca adicional aprieta el conector, la arandela y la junta tórica en su lugar.
• Los racores abocinados son juntas de compresión de metal a metal deformadas con una tuerca cónica y prensadas para acoplarse a un racor abocinado.
• El sello frontal consiste en bridas metálicas con una ranura y una junta tórica que se fijan entre sí.
• Los sellos de viga son costosos sellos de metal a metal que se utilizan principalmente en aeronaves.
• Los tubos con juntas prensadas se conectan mediante racores que se fijan permanentemente mediante prensado. Se utilizan principalmente en aeronaves.

Los sellos elastoméricos (con junta tórica y sello frontal) son los tipos de sellos más comunes en maquinaria pesada y son capaces de sellar de forma fiable más de 6000 psi (41 MPa ) de presión de fluido.