Hidráulica: tanques y depósitos, accesorios, circuitos hidráulicos

Operación de componentes hidráulicos

Para transmitir y controlar potencia a través de líquidos a presión se requiere un conjunto de componentes interconectados, al cual se denomina comúnmente sistema. El número y la combinación de componentes varían de un sistema a otro, dependiendo del uso particular. En muchas aplicaciones, un sistema principal de potencia alimenta a varios subsistemas, que a veces se denominan circuitos. El sistema completo puede ser una pequeña unidad compacta; más a menudo, sin embargo, los componentes se ubican en puntos separados para lograr un control y funcionamiento convenientes.

Los componentes básicos de un sistema de potencia fluida son esencialmente los mismos, sin importar si el medio es hidráulico o neumático.

Hay cinco componentes básicos en un sistema hidráulico:

1. Depósito o reservorio.
2. Bomba o compresor.
3. Líneas (cañerías, tuberías o mangueras flexibles).
4. Válvula de control direccional.
5. Dispositivo de impulsión (actuador).

Varios usos de la potencia hidráulica requieren solamente un sistema simple, es decir, un sistema que utiliza únicamente algunos componentes además de los cinco básicos. Algunos de estos usos se presentan en los párrafos siguientes. Se explica brevemente la operación de estos sistemas para que se entienda el propósito de cada componente y cómo se emplea la hidráulica en su funcionamiento.

Gato hidráulico

El gato hidráulico es quizá una de las formas más simples de un sistema de potencia fluida. Moviendo la manivela de un pequeño dispositivo, una persona puede levantar una carga de varias toneladas. Una pequeña fuerza inicial ejercida sobre la manija se transmite por un líquido a un área mucho mayor.

Para entender esto mejor, supongamos que el pistón de entrada tiene un área de 5 pulgadas cuadradas y está conectado directamente con un cilindro mayor cuyo pistón de salida tiene un área de 250 pulgadas cuadradas.

Una fuerza de entrada de 25 libras se ha transformado en una fuerza de salida mayor a media tonelada; sin embargo, para que esto ocurra, la distancia recorrida por el pistón de entrada debe ser 50 veces mayor que la del pistón de salida. Por cada pulgada que se mueva el pistón de entrada, el pistón de salida avanzará solo 1/50 de pulgada.

Esto es ideal si el pistón de salida necesita moverse solamente una distancia corta. En la mayoría de los casos, sin embargo, el pistón de salida debe desplazarse más para que el sistema sea útil. El dispositivo básico no permite mover el pistón de salida más allá de lo mostrado, por lo que se requieren componentes adicionales para levantarlo a mayor altura y mantenerlo en esa posición.

El pistón de salida puede elevarse más y mantenerse en su altura si se agregan componentes adicionales, como se muestra en la figura siguiente. En este diseño, el gato puede elevarse, descender o sostenerse a una altura constante. Esto se logra introduciendo varias válvulas y una fuente de fluido de reserva para el sistema.

El sistema contiene los cinco componentes básicos: el depósito, el cilindro 1 (bomba), la válvula 3 (válvula de control direccional), el cilindro 2 (dispositivo de impulsión) y las líneas para transportar el fluido. Además, incluye las válvulas 1 y 2, cuyas funciones se describen a continuación.

	Cuando se levanta el pistón de entrada (visión A en la figura), la válvula 1 se cierra por la presión de retorno del peso del pistón de salida. Al mismo tiempo, la válvula 2 se abre debido a la columna de líquido en el depósito, permitiendo que el fluido ingrese al cilindro 1.
Fig. – Gato hidráulico. (A) Subida del pistón (B) Bajada del pistón.	Cuando el pistón de entrada desciende (visión B), se desarrolla presión en el cilindro 1. Cuando esta presión excede la columna de fluido del depósito, se cierra la válvula 2. Al superar la presión de retorno del pistón de salida, se abre la válvula 1 y el líquido es forzado hacia la tubería que conduce al cilindro 2.

La presión del cilindro 1 se transmite al cilindro 2, donde actúa para levantar el pistón de salida con su plataforma de elevación. Cuando el pistón de entrada vuelve a subir, la presión en el cilindro 1 cae por debajo de la del cilindro 2, provocando el cierre de la válvula 1. Esto impide el retorno del fluido y mantiene el pistón de salida en su nueva posición. Durante este movimiento, la válvula 2 se abre de nuevo y permite que más fluido ingrese al cilindro 1 para el siguiente ciclo de bombeo.

Mediante movimientos repetidos del pistón de entrada, la plataforma de elevación se eleva progresivamente. Para bajar la plataforma, se abre la válvula 3 y el líquido del cilindro 2 regresa al depósito.

Fig. – Gato hidráulico

En este sistema se ha agregado un depósito y un sistema de válvulas a la palanca líquida de Pascal para accionar un pequeño cilindro o bomba de forma continua y elevar un pistón de mayor tamaño en pequeños incrementos. El diagrama A muestra la carrera de admisión: la válvula de salida se cierra por presión de la carga y la válvula de entrada se abre, llenando la cámara de bombeo desde el tanque. El diagrama B muestra la carrera de impulsión: la válvula de entrada se cierra y la de salida se abre, enviando más fluido bajo el pistón grande para elevarlo. Para bajar la carga, se abre una tercera válvula (válvula de aguja) que une el espacio bajo el pistón con el tanque, permitiendo que el peso de la carga empuje el pistón hacia abajo y fuerce el fluido de regreso al depósito.

Frenos hidráulicos

El sistema de frenos hidráulicos usado en los automóviles es un sistema múltiple de pistones. Un sistema de este tipo permite que las fuerzas se transmitan a dos o más pistones, como se indica en la figura siguiente.

El sistema de frenos hidráulicos, desde el cilindro maestro hasta los cilindros de las ruedas, funciona de manera similar al sistema ilustrado.

La fuerza aplicada al pedal de freno produce una fuerza proporcional en cada pistón de salida, generando el esfuerzo de fricción necesario para retardar la rueda. Los distintos diseños de frenos exceden el alcance de este texto.

Acumuladores

Los fluidos utilizados en sistemas hidráulicos son prácticamente incompresibles y no pueden almacenarse como los gases para usos posteriores. Un acumulador consiste en un recipiente destinado a almacenar una cantidad de fluido hidráulico a cierta presión mediante una fuerza externa.

El fluido bajo presión entra en el acumulador y realiza una de estas funciones: comprime un resorte, comprime un gas o levanta un peso. Posteriormente, cuando la presión del sistema disminuye, el elemento elástico (peso, gas o resorte) devuelve el fluido al circuito.

Los acumuladores pueden aplicarse como:

• Acumuladores de energía.
• Amortiguadores de golpes de ariete.
• Antipulsaciones.
• Compensadores de fugas.
• Fuentes auxiliares de emergencia.
• Amortiguadores de vibraciones.
• Transmisores de energía entre dos fluidos.

Acumulador de contrapeso

El acumulador cargado por peso ejerce una fuerza sobre el líquido almacenado mediante grandes pesos que actúan sobre un pistón o émbolo. Los pesos pueden ser de hierro, hormigón e incluso agua.

En general, estos acumuladores son de gran tamaño y su capacidad puede alcanzar varios cientos de litros. Pueden alimentar varios sistemas hidráulicos al mismo tiempo y se usan habitualmente en instalaciones centrales.

Su principal ventaja es que almacenan fluido a presión prácticamente constante, tanto si están llenos como si están casi vacíos: la fuerza aplicada por el peso es siempre la misma, independientemente del volumen de fluido.

Su desventaja es que pueden generar sobrepresiones. Si descargan con rapidez y se detienen bruscamente, la inercia del peso puede provocar picos de presión excesivos, generando fugas en tuberías y accesorios y fatiga del material.

Acumulador cargado por resorte

En los acumuladores cargados por resorte, la fuerza se aplica al líquido almacenado por medio de un pistón sobre el cual actúa un resorte. Suelen ser más pequeños que los cargados por peso y su capacidad se limita a unos pocos litros. Generalmente alimentan sistemas individuales y trabajan a presiones medias.

A medida que se bombea fluido al interior del acumulador, la presión almacenada depende de la compresión del resorte. Cuanto más se comprime el resorte, mayor es la presión del fluido.

Para evitar la acumulación de fluido detrás del resorte, la cámara suele disponer de un orificio de respiración que permite evacuar pequeñas fugas.

Acumulador de pistón

Un acumulador de pistón consta de un cuerpo cilíndrico y un pistón móvil con sellos elásticos. El gas ocupa el volumen sobre el pistón y se comprime cuando el fluido entra al cilindro. Al salir el fluido, la presión del gas disminuye. Cuando se descarga todo el líquido, el pistón llega al final de su carrera y cubre la salida, manteniendo el gas en el interior.

Acumulador de gas no separado

En este tipo de acumulador, el gas y el fluido comparten el mismo volumen sin separación física. Son sencillos, económicos y adecuados para caudales medios, pero presentan el inconveniente de que el gas puede disolverse o mezclarse con el aceite.

Acumulador de diafragma

El acumulador de diafragma está formado por dos semicarcasas metálicas atornilladas, cuyo volumen interior se divide mediante un diafragma de goma sintética. El gas ocupa la parte superior. Cuando el fluido entra en la parte inferior, el gas se comprime. Al descargarse el líquido, el diafragma desciende y cierra la salida, manteniendo el gas dentro.

Son adecuados para caudales relativamente pequeños y presiones medias.

Acumulador de vejiga

El acumulador de vejiga está formado por un casco metálico en cuyo interior se aloja una vejiga de goma sintética que contiene el gas. Cuando entra fluido al casco, la vejiga se comprime. Cuando el fluido sale, la presión del gas tiende a empujar la vejiga hacia la salida del acumulador, pero una válvula situada en el puerto de salida corta el flujo cuando la vejiga la presiona, evitando su expulsión.

Observaciones de seguridad

• No cargar nunca un acumulador con oxígeno ni con aire comprimido (debe usarse gas inerte, típicamente nitrógeno).
• Descargar la presión hidráulica antes de desmontar o retirar un acumulador.
• Antes de desarmar un acumulador, eliminar tanto la presión hidráulica como la del gas.

Tanques y depósitos

La función principal de un tanque hidráulico o depósito es contener o almacenar el fluido de un sistema hidráulico. Un depósito almacena el líquido que no está siendo utilizado en ese momento, permite la separación de aire y partículas extrañas, y ayuda a disipar el calor del aceite.

En sistemas industriales, donde el espacio no es una limitación, los tanques suelen construirse con cuatro paredes de acero, fondo inclinado, tapa superior con placa de montaje, patas, líneas de succión, retorno y drenaje, tapón de drenaje, indicador de nivel, respiradero, tapa de llenado y un tabique separador o placa deflectora.

Además de servir como contenedor, el tanque ayuda a enfriar el fluido, permite que se sedimenten los contaminantes y facilita la liberación del aire atrapado.

Cuando el fluido regresa al tanque, una placa deflectora desvía el flujo de retorno para impedir que llegue directamente a la línea de succión, creando una zona relativamente tranquila donde las partículas grandes pueden sedimentarse, el aire puede escapar y el calor se disipa hacia las paredes del tanque.

Todas las líneas de retorno deben descargarse por debajo del nivel del fluido y en el lado opuesto del tabique respecto a la succión, para evitar turbulencias y arrastre de aire.

En muchos sistemas pequeños y medianos, el tanque actúa también como base de montaje para la bomba, el motor eléctrico, la válvula de alivio y a menudo otras válvulas de control, formando una “unidad de potencia” o “unidad generadora de presión”.

La tapa del tanque debe poder retirarse para permitir la limpieza e inspección. Las conexiones de retorno y drenaje suelen entrar por la tapa o por las paredes laterales y deben estar selladas para evitar la entrada de aire.

Forma y tamaño del tanque

Es preferible que el tanque sea relativamente alto y angosto antes que muy ancho y poco profundo. El nivel de aceite debe estar lo más alto posible sobre la toma de succión de la bomba, para evitar remolinos o vórtices que puedan arrastrar aire. El aceite aireado no transmite bien la potencia y tiende a oxidarse y perder capacidad de lubricación.

El tanque debe tener suficiente capacidad para contener todo el aceite del sistema, incluyendo el volumen desplazado por cilindros extendidos, y permitir la expansión del fluido cuando se calienta. Un tanque grande mejora el enfriamiento, reduce la recirculación rápida, permite sedimentar contaminantes y facilita la separación del aire.

En equipos móviles, a menudo el tanque se monta por encima de la bomba, lo que crea una entrada inundada que reduce la cavitación. También mejora la disipación de calor si el tanque está expuesto al aire exterior.

Como regla general, en máquinas estacionarias el volumen del tanque suele ser de dos a tres veces el caudal de la bomba en litros por minuto. Por ejemplo, para una bomba de 60 L/min, el tanque debería ser del orden de 60 a 180 litros. En transmisiones hidrostáticas de lazo cerrado se emplean a veces tanques mucho más pequeños, debido a la recirculación interna.

Ventilación y presurización

La mayoría de los tanques de reserva están ventilados a la atmósfera. Un respiradero permite la entrada y salida de aire a medida que el nivel del aceite sube o baja, manteniendo presión atmosférica sobre la superficie. Este respiradero debe estar protegido por un filtro de aire.

En ambientes limpios puede bastar un filtro de respiración sencillo; en atmósferas contaminadas se requieren filtros de mejor calidad, capaces de retener partículas mayores de unas pocas micras.

Algunos tanques se presurizan mediante una válvula de control de presión que permite la entrada de aire filtrado pero evita su salida hasta que se alcanza una presión prefijada. Esto ayuda a evitar cavitación en la bomba y estabiliza el flujo.

Conexiones de línea y deflectores

Las conexiones de succión y retorno deben ser robustas. La línea de succión debe entrar por la parte inferior, pero el tubo debe sobresalir por encima del fondo para evitar arrastrar sedimentos. La línea de retorno debe descargar por debajo del nivel del aceite, preferiblemente cortada en ángulo y orientada lejos de la succión para favorecer la circulación y el enfriamiento.

Un tabique o bafle separa la zona de succión de la de retorno, obligando al aceite de retorno a recorrer el tanque antes de ser reaspirado. Este bafle suele tener una altura de aproximadamente dos tercios de la altura del tanque, con esquinas inferiores recortadas para permitir la circulación. Su área libre debe ser mayor que la sección de la línea de succión.

Para sistemas corrientes, el aceite debería permanecer de uno a tres minutos en el tanque antes de recircular. En muchas instalaciones, las limitaciones de espacio obligan a utilizar tanques más pequeños, especialmente en equipos móviles.

Mantenimiento

Las tareas de mantenimiento incluyen el drenaje, limpieza del tanque y sustitución de elementos filtrantes. El fondo debe contar con una válvula de drenaje situada en el punto más bajo para permitir vaciar completamente el depósito.

Los tanques grandes suelen disponer de tapas de registro atornilladas para facilitar el acceso. Puede instalarse un indicador de nivel transparente para controlar el volumen de aceite y evitar daños por falta de lubricación.

El filtro de retorno debe estar ubicado de manera que pueda sustituirse sin tener que desmontar el tanque. En tanques presurizados es importante controlar la presencia de humedad, instalando una trampa de agua en el sistema de aire.

Accesorios para tanques

En la figura 2-8 se aprecia un indicador de nivel visible para tanques. Este elemento, normalmente de plástico transparente, permite verificar tanto el nivel como la posible presencia de emulsiones (mezcla de aceite y agua).

Tapa de llenado

El orificio de llenado debe estar cubierto por una tapa, preferentemente retenida con una cadena. En la figura 2-9 se muestra un tipo con colador incorporado para filtrar el aceite que se introduce en el tanque.

Los depósitos hidráulicos ventilados a la atmósfera deben contar con un respiradero equipado con filtro para impedir la entrada de aire sucio. En atmósferas limpias puede emplearse un filtro sencillo; en ambientes muy contaminados deben utilizarse filtros de respiración de alta eficiencia capaces de retener partículas pequeñas.

Requerimientos del control de la presión en un sistema hidráulico

Son muy severos los requerimientos del control de la presión en un sistema hidráulico. Esto puede ser sumariamente descrito de la siguiente forma:

1) Limite de la presión de seguridad. Cada sistema hidráulico que utilice bombas de desplazamiento positivo debe poseer una válvula de alivio de seguridad que garantiza el alivio de un incremento accidental, de la presión más allá del límite fijado como presión de trabajo. En muchos sistemas la válvula de alivio de seguridad no es normalmente  un componente activo durante el ciclo de trabajo y en ese caso ella está realizada mediante la forma una válvula de alivio de pistón directo.

2) Establecimiento de la presión de trabajo. En otros sistemas la válvula de alivio es un elemento importante de trabajo durante el ciclo regular, manteniendo a un nivel preestablecido la presión del circuito, Para esta función, se utilizan válvulas de alivio comandadas en forma piloto como vamos a describir en este tema.

3) Establecimiento de dos a más presiones de trabajo: Muchas máquinas requieren variaciones y cambios del nivel de presión durante el ciclo de su trabajo regular, para este propósito el alivio accionado por piloto puede ser controlado en fama automática por accionamientos manuales o eléctricos

4) Otras máquinas requieren dos o más niveles da presión que deben ser mantenidos al mismo tiempo. Para ello la válvula reductora de presión es utilizada a los efectos de obtener los niveles de presión menores .

5) En algunas instalaciones es necesario que la presión generada por la bomba sea aliviada completamente durante cierta parte del ciclo. Esto generalmente se obtiene mediante el venteo de una válvula de alivio pilotada , por la aplicación de una presión piloto o una válvula by- pass o por otros medios de descarga que veremos más adelante.

Términos destacados :

CAÍDA DE PRESIÓN EN EL CIRCUITO DE UNA PRENSA HIDRÁULICA

En las figuras 1-28 y 1-29 se muestran dos diagramas de bloques que representan dos estados de un mismo ciclo de trabajo de una prensa.

Se pueden lograr grandes economías cuando la máxima fuerza requerida por la prensa se necesita únicamente en condiciones estáticas o durante carreras muy cortas.

Las válvulas y tuberías se subdimensionan a propósito por razones económicas, pero esto no produce efectos perjudiciales en la operación. Esto se basa en el principio ya visto: no hay caídas de presión cuando no existe circulación. He aquí cómo opera:

El cilindro recibe fluido hidráulico desde la bomba y se mueve libremente. La restricción en la línea representa la resistencia a la circulación a través de válvulas y tuberías subdimensionadas. Esta restricción no reduce el volumen de aceite procedente de una bomba hidráulica de desplazamiento positivo, tal como se verá al estudiar estos elementos.

La restricción, en cambio, consume una buena proporción de la presión que es capaz de desarrollar la bomba, pero esto no tiene importancia porque sólo se requiere una presión pequeña para mover el cilindro en su carrera libre.

En este diagrama el cilindro llega a su posición de trabajo. Cuando el cilindro se detiene, cesa la circulación de fluido a través de las válvulas y la tubería, y la caída de presión desaparece del sistema. Por lo tanto, se obtiene toda la fuerza de empuje a pesar de lo reducido de las válvulas y tuberías.

Estas figuras son diagramas en bloque. En la práctica, cuando el cilindro se detiene, todo el caudal de la bomba se descarga al tanque a través de una válvula de alivio (no mostrada en la figura 1-29).