3.4 Fluidos Hidráulicos y Acondicionadores de Fluidos

en Fundamentos Básicos de los Sistemas Hidráulicos de Maquinaria Pesada

3.4 Fluidos Hidráulicos y Acondicionadores de Fluidos

3.4.1 Introducción

La vida útil del sistema hidráulico depende en gran medida de la selección y del cuidado que se tengan con los fluidos hidráulicos. Al igual que con los componentes metálicos de un sistema hidráulico, el fluido hidráulico debe seleccionarse con base en sus características y propiedades para cumplir con la función para la cual fue diseñado.

Los filtros y los enfriadores se usan en sistemas hidráulicos para mantener el fluido limpio y lo suficientemente frío para evitar daños del sistema.

Objetivos

Al terminar esta lección, el estudiante podrá:

  1. Describir las funciones de los sistemas hidráulicos.
  2. Medir la viscosidad de los fluidos.
  3. Definir el índice de viscosidad.
  4. Nombrar los tipos de fluidos hidráulicos resistentes al fuego.
  5. Diferenciar los tres tipos de filtros hidráulicos.
  6. Describir la razón del uso de los enfriadores de aceite en los sistemas hidráulicos.

3.4.2 Funciones de los fluidos hidráulicos

Fluidos Hidráulicos

Fig. 3.2.1 Fluidos Hidráulicos

Los fluidos prácticamente son incompresibles. Por tanto, en un sistema hidráulico los fluidos pueden transmitir potencia en forma instantánea.

Por ejemplo, por cada 2.000 lb/pulg2 de presión, el aceite lubricante se comprime aproximadamente 1%, es decir, puede mantener su volumen constante cuando está bajo una presión alta. El aceite lubricante es la materia prima con que se produce la mayoría de los aceites hidráulicos.

Las principales funciones de los fluidos hidráulicos son:

  • Transmitir potencia
  • Lubricar
  • Sellar
  • Enfriar

3.4.3 Transmisión de potencia

Puesto que un fluido prácticamente es incompresible, un sistema hidráulico lleno de fluido puede producir potencia hidráulica instantánea de un área a otra. Sin embargo, esto no significa que todos los fluidos hidráulicos sean iguales y transmitan potencia con la misma eficiencia.

Para escoger el fluido hidráulico correcto, se deben tener en cuenta el tipo de aplicación y las condiciones de operación en las que funcionará el sistema hidráulico.

3.4.4 Lubricación

Los fluidos hidráulicos deben lubricar las piezas en movimiento del sistema hidráulico. Los componentes que rotan o se deslizan deben poder trabajar sin entrar en contacto con otras superficies. El fluido hidráulico debe mantener una película delgada entre las dos superficies para evitar el calor, la fricción y el desgaste.

3.4.5 Acción sellante

Algunos componentes hidráulicos están diseñados para usar fluidos hidráulicos en lugar de sellos mecánicos entre los componentes. La propiedad del fluido de tener acción sellante depende de su viscosidad.

3.4.6 Enfriamiento

El funcionamiento del sistema hidráulico produce calor a medida que se transfiere energía mecánica a energía hidráulica y viceversa. La transferencia de calor al sistema se realiza entre los componentes calientes y el fluido que circula a menor temperatura. El fluido a su vez transfiere el calor al tanque o a los enfriadores, diseñados para mantener la temperatura del fluido dentro de límites definidos.

Otras propiedades que debe tener un fluido hidráulico son: evitar la oxidación y la corrosión de las piezas metálicas; impedir la formación de espuma y de oxidación; mantener separado el aire, el agua y otros contaminantes; y mantener su estabilidad en una amplia gama de temperaturas.

3.4.7 Viscosidad

La viscosidad es la medida de la resistencia de un fluido para fluir a una temperatura determinada. Un fluido que fluye fácilmente tiene viscosidad baja. Un fluido que no fluye fácilmente tiene una viscosidad alta.

La viscosidad de un fluido depende de la temperatura. Cuando la temperatura aumenta, la viscosidad del fluido disminuye. Cuando la temperatura disminuye, la viscosidad del fluido aumenta. El aceite vegetal es un buen ejemplo para mostrar el efecto de la viscosidad con los cambios de temperatura. Cuando el aceite vegetal está frío, se espesa y tiende a solidificarse. Si calentamos el aceite vegetal, se vuelve muy delgado y tiende a fluir fácilmente.

3.4.7.1 Viscosímetro Saybolt

Viscosímetro Saybolt

Fig. 3.2.2 Viscosímetro Saybolt

El equipo usado generalmente para medir la viscosidad de un fluido es el viscosímetro Saybolt (figura 3.2.2). El viscosímetro Saybolt debe su nombre a su inventor, George Saybolt.

La unidad de medida del viscosímetro Saybolt es el Segundo Universal Saybolt (SUS). En el viscosímetro original, un recipiente de fluido se calienta hasta una temperatura específica. Cuando se alcanza la temperatura, se abre un orificio y el fluido drena a un matraz de 60 ml.

Un cronómetro mide el tiempo que tarda en llenarse el matraz. La viscosidad se lee como los segundos que el matraz tarda en llenarse, tomando como referencia la temperatura del líquido. Si un fluido calentado a 23,5 0C (75 0F) tarda 115 segundos en llenar el matraz, su viscosidad Saybolt es de 115 SUS a 23,5 0C (75 0F). Si el mismo fluido, calentado a 37,5 0C (100 0F) tarda 90 segundos en llenar el matraz, su viscosidad Saybolt es de 90 SUS a 37,5 0C (100 0F).

3.4.7.2 Índice de viscosidad

El Índice de Viscosidad (IV) de un fluido es la relación del cambio de viscosidad con respecto al cambio de temperatura. Si la viscosidad del fluido cambia muy poco en una amplia gama de temperaturas, el fluido tiene un Índice de Viscosidad alto. Si a temperaturas bajas el fluido se vuelve muy espeso y a temperaturas altas se vuelve muy delgado, el fluido tiene un Índice de Viscosidad bajo. Los fluidos de la mayoría de los sistemas hidráulicos deben tener un Índice de Viscosidad alto.

3.4.8 Aceite lubricante

Todos los aceites lubricantes se adelgazan cuando la temperatura aumenta, y se espesan cuando la temperatura disminuye. Si la viscosidad de un aceite lubricante es muy baja, habrá un excesivo escape por las juntas y los sellos. Si la viscosidad del aceite lubricante es muy alta, el aceite tiende a “pegarse” y se necesitará mayor fuerza para bombearlo a través del sistema. La viscosidad del aceite lubricante se expresa con un número SAE, definido por la Society of Automotive Engineers (SAE). Los números SAE están definidos como: 5W, 10W, 20W, 30W, 40W, etc.

Mientras más bajo sea el número SAE, mejor será el flujo de aceite a bajas temperaturas. Entre más alto sea el número SAE, mayor será la viscosidad del aceite y mayor su eficiencia a altas temperaturas.

3.4.9 Aceites sintéticos

Los aceites sintéticos se producen por procesos químicos en los que materiales de composición específica reaccionan para producir un compuesto con propiedades únicas y predecibles. El aceite sintético se produce específicamente para cierto tipo de operaciones realizadas a temperaturas altas y bajas.

3.4.10 Fluidos resistentes al fuego

Hay tres tipos básicos de fluidos resistentes al fuego: mezclas de glicolagua, emulsiones de aceite-agua-aceite y fluidos sintéticos.

Los fluidos glicol-agua son una mezcla de 35% a 50% de agua (el agua inhibe el fuego), glicol (químico sintético o similar a algunos compuestos con propiedades anticongelantes) y espesantes del agua. Los aditivos se añaden para mejorar la lubricación y evitar la oxidación, la corrosión y la formación de espuma. Los fluidos a base de glicol son más pesados que el aceite y pueden causar cavitación de la bomba a altas velocidades. Estos fluidos pueden reaccionar con algunos metales y material de los sellos, y no se pueden usar con algunas clases de pintura.

Las emulsiones de agua-aceite son los fluidos resistentes al fuego más económicos. Al igual que en los fluidos a base de glicol, un porcentaje similar de agua (40%), se usa como inhibidor del fuego. Las emulsiones agua-aceite se usan en sistemas hidráulicos típicos. Generalmente contienen aditivos para evitar la oxidación y la formación de espuma. Los fluidos sintéticos se usan en ciertas condiciones para cumplir requerimientos específicos. Los fluidos sintéticos resistentes al fuego son menos inflamables que los aceites lubricantes y mejor adaptados para resistir presiones y temperaturas altas. Algunas veces los fluidos resistentes al fuego reaccionan con el material de los sellos de poliuretano y, en estos casos, puede requerirse el uso de sellos especiales.

3.4.11 Vida útil del aceite hidráulico

El aceite hidráulico no se desgasta. El uso de filtros para quitar las partículas sólidas y contaminantes químicos prolongan la vida útil del aceite. Sin embargo, eventualmente el aceite se contamina tanto que debe reemplazarse. En las máquinas de construcción, el aceite se debe cambiar a intervalos de tiempos regulares.

Los contaminantes del aceite pueden usarse como indicadores de desgaste no común y de posibles problemas del sistema. Uno de los programas que miden los contaminantes del aceite hidráulico y utilizan los resultados como fuente de información acerca del sistema es el Análisis Programado de Aceite (S•O•S).

3.4.12 Clasificaciones de los filtros para el control de contaminación

Diseño de Filtros

Fig. 3.2.3 Diseño de Filtros

Hay tres clasificaciones de diseños de filtros usados en los sistemas hidráulicos de los implementos en el equipo móvil. Estas clasificaciones son:

  1. Filtro de cartucho (mostrado a la izquierda) – El elemento del filtro se ajusta en el tanque o recipiente, con la abertura del filtro sellado con una tapa.
  2. Filtro de recipiente (mostrado en el centro) – El elemento del filtro se construye en su propio recipiente que luego se atornilla en una base de filtro permanente. El material del filtro usado en el filtro de recipiente puede ser idéntico al material del filtro usado en el filtro de cartucho.
  3. De rejilla (mostrado a la derecha) – Una malla metálica que se ajusta en un tanque o recipiente, similar al filtro de cartucho, pero con aberturas más grandes para atrapar contaminantes de mayor tamaño, antes de que ingresen al sistema.

3.4.13 Función del filtro

Flujo de Aceite a través del Filtro

Fig. 3.2.4 Flujo de Aceite a través del Filtro

Los filtros limpian el aceite hidráulico y quita los contaminantes que pueden dañar los componentes. A medida que el aceite pasa a través del elemento del filtro, los contaminantes quedan atrapados. El aceite limpio continúa a través del sistema.

Los fabricantes asignan una clasificación, tamaño de partículas retenidas en micrones y un valor beta a los elementos de filtro de acuerdo con su capacidad probada de atrapar partículas. Mientras más pequeña sea la clasificación en micrones, más pequeñas serán las partículas atrapadas por el filtro. Mientras mayor sea el número beta de un tamaño de micrones dado, mayor será el tamaño de las partículas atrapadas en el primer paso del aceite a través del filtro.

Estas clasificaciones beta se determinan usando cierto tipo de partículas en una prueba controlada.

Algunos fabricantes no tienen en cuenta la utilidad de estas clasificaciones, gracias a que sus filtros funcionan con flujo controlado constante, sin crestas, y no dependen de la calidad ni de la vida útil de los elementos.

3.4.14 Derivación del filtro

Válvula de Derivación del Filtro

Fig. 3.2.5 Válvula de Derivación del Filtro

La mayoría de los filtros de cartucho y de recipiente tienen válvulas de derivación del filtro para asegurar que nunca se bloquee el flujo del sistema. Las válvulas de derivación también protegen el filtro de roturas o de que colapsen. El bloqueo del aceite que puede llevar a la falla del filtro puede ser causado por lo siguiente:

  1. Una acumulación de contaminantes que tapona el filtro.
  2. Aceite frío demasiado espeso para pasar a través del filtro.

Cuando la válvula de derivación se abre, el aceite sin filtrar circula a través del sistema hidráulico. El aceite sin filtrar contiene contaminantes que pueden causar daño a los componentes del sistema hidráulico. Los filtros taponados deben reemplazarse para evitar la derivación del aceite. La válvula de derivación del filtro, que se abre debido al aceite frío, normalmente se cierra cuando el aceite está a la temperatura de operación. Esto nuevamente envía el aceite a través del filtro, para quitar los contaminantes.

Los filtros deben cambiarse según lo recomendado por el fabricante de la máquina para evitar taponamiento y minimizar la derivación de aceite, cuando el aceite está frío.

3.4.15 Control de la temperatura del aceite hidráulico

Enfriadores de Aceite

Fig. 3.2.6 Enfriadores de Aceite

A medida que los componentes hidráulicos trabajan, aumenta la temperatura del aceite. Algunos sistemas hidráulicos de presión baja pueden disipar el calor a través de las camisas, cilindros, tanque y otras superficies de los componentes, para controlar la temperatura del aceite. La mayoría de los sistemas hidráulicos de presión alta requieren un enfriador de aceite, además de otros componentes, para controlar la temperatura del aceite.

Se usan dos tipos de enfriadores hidráulicos en el equipo móvil.

  1. Aire a aceite (mostrado a la izquierda), donde el aceite pasa a través de tubos cubiertos con aletas. Un ventilador o la acción del movimiento de la máquina sopla aire a los tubos y las aletas, lo cual enfría el aceite.
  2. Agua a aceite (mostrado a la derecha), donde el aceite pasa a través de un agrupamiento de tubos, y enfrían el aceite.

La temperatura del aceite hidráulico debe mantenerse normalmente a un valor menor que 100 °C (212 °F) para evitar el daño de los componentes. El aceite a temperaturas mayores que 100 °C (212 °F) causará el deterioro de los sellos. El aceite también se volverá muy delgado y permitirá el contacto metal a metal entre las piezas en movimiento del sistema.

3.4.16 Prácticas de taller: viscosidad y temperatura de los fluidos

Nombre _________________________

Objetivos

Medir la viscosidad y la temperatura de los fluidos seleccionados.

Material necesario
  1. Agua del grifo (16 oz)
  2. Dos recipientes vacíos de 1/4 de galón de capacidad
  3. Viscosímetro
  4. Aceite hidráulico (16 oz)
  5. Cronómetro
Procedimiento
  1. Tape con un dedo el orificio que se encuentra en la parte inferior del viscosímetro.
  2. Llene completamente el viscosímetro con aceite hidráulico.
  3. Tenga listo el cronómetro para medir el tiempo de drenaje del viscosímetro.
  4. Ponga el viscosímetro lleno de aceite sobre un recipiente vacío. Inicie el cronómetro al mismo tiempo que quita el dedo del orificio de drenaje del viscosímetro. Detenga el cronómetro cuando el aceite deje de fluir.
  5. Anote los segundos en la casilla correspondiente de la tabla.
  6. Limpie el viscosímetro usando una toalla de papel.
  7. Tape con un dedo el orificio que se encuentra en la parte inferior del viscosímetro.
  8. Llene completamente el viscosímetro con agua.
  9. Tenga listo el cronómetro para medir el tiempo de drenaje del viscosímetro.
  10. Ponga el viscosímetro lleno de agua sobre un recipiente vacío. Inicie el cronómetro al mismo tiempo que quita el dedo del orificio de drenaje del viscosímetro. Detenga el cronómetro cuando el agua deje de fluir.
  11. Escriba los segundos en la casilla correspondiente de la tabla.

A. Compare los dos valores hallados. Explique.

Substancia Tiempo (Segundos)
Aceite  
Agua  
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