Componentes de un sistema hidráulico

Un sistema hidráulico transforma la energía de accionamiento de la bomba hidráulica (generalmente energía mecánica) a energía hidráulica en forma de movimiento de un fluido incompresible a través de un actuador lineal (cilindro hidráulico) o actuador rotativo (motor hidráulico) y estos actuadores están controlados por una serie de válvulas y elementos de control que tienen el objetivo de conseguir el funcionamiento deseado.

El sistema oleohidráulico está formado por una serie de componentes oleohidráulicos. En función de la complejidad de la máquina hidráulica o del equipo hidráulico, el número de elementos hidráulicos, componentes eléctricos y mecánicos en el listado de materiales del sistema hidráulico será más o menos extenso.

A continuación veremos uno por uno los principales elementos que forman un sistema hidráulico:

Bombas hidráulicas

Bomba hidráulica: hay varios tipos de bombas oleohidráulicas en el mercado, pueden ser de engranajes o engranes o piñones (externos o internos), de pistones (caudal fijo o caudal variable o de pistones axiales o radiales), de paletas (cilindrada fija o variable), etc.

La elección del tipo de bomba es muy importante y viene determinada básicamente por el tipo de aplicación, la presión máxima de trabajo, los tiempos de ciclo de marcha-paro, rango temperaturas y condiciones externas de trabajo así como la compatibilidad con el tipo de aceite hidráulico (esto definiría el material de las juntas de la bomba: NBR, Viton, FKM, teflón,…), etc.

Las bombas hidráulicas pueden ser también de un solo cuerpo, bombas dobles (o bombas hidráulicas en tándem), bombas hidráulicas triples o, incluso, de 4 cuerpos o más.

En función de sus elementos mecánicos para el desplazamiento del aceite, las bombas hidráulicas pueden dividirse en bombas de engranajes externos, bombas de engranajes internos, bombas de paletas y bombas de pistones. A continuación veremos en detalle cada una de ellas:

Bombas hidráulicas de engranajes externos:

Es uno de los tipos de bomba hidráulica más extendido en el mercado de los sistemas oleohidráulicos debido a su tamaño compacto, su robustez y su contenido precio. No son tan eficientes como pueden ser las bombas hidráulicas de pistones pero su versatilidad y menor coste hacen que la bomba hidráulica de engranes sea un producto muy utilizado en cualquier sistema hidráulico ya sea en maquinaria móvil como en maquinaria hidráulica estacionaria.

Se montan en todo tipo de equipos tanto industriales como agrícolas, forestales, náuticos, etc. Se dividen según el material de su cuerpo (aluminio o acero de fundición) y según su tamaño.

A nivel constructivo hay infinidad de variantes según las siguientes características:

• Cilindrada: también puede definirse esta variable como el caudal que suministra la bomba a una cierta velocidad de giro (rpm).
• Sentido de giro: horario (giro a derechas), anti-horario (giro a izquierdas) o reversible (puede girar en ambas direcciones, también denominadas bombas bidireccionales). El sentido de giro establecido como norma general en los catálogos de bombas hidráulicas de la mayoría de fabricantes, se determina mirando el eje de la bomba hidráulica de frente.
• Tipo de eje: cónico, estriado, cilíndrico, tipo cruceta, etc.
• Tipo de brida delantera o anclaje: europea, tipo Bosch, SAE-A, SAE-B, SAE-C, DIN, ISO, fijación mediante 2 tornillos, mediante 4 tornillos, etc.
• Tipo de puertos o tomas de entrada de aceite / salida de aceite: roscadas, para brida tipo SAE, para brida tipo Bosch, para brida tipo italiana / Plessey, etc.
• Hay también diversos tipos de bomba hidráulica en función del tipo de juntas y retén de presión que puedan llevar; dependiendo del rango temperatura de trabajo y/o del tipo de fluido hidráulico (NBR, Viton, FKM, etc.).

• Según si llevan o no válvulas anexas a la bomba hidráulica como pueden ser válvulas reguladoras de caudal, válvulas de prioridad, válvulas limitadoras de presión, válvula eléctrica tipo venting, etc.

Bombas hidráulicas de engranajes con cuerpo de aluminio:

Son económicas y altamente versátiles. Se montan en todo tipo de máquinas hidráulicas pero principalmente en tractores agrícolas, maquinaria de obra pública de bajo tonelaje y en pequeños o medianos grupos hidráulicos industriales.

Bombas hidráulicas de engranajes con cuerpo de acero o fundición de hierro:

Suelen ser más robustas y resistentes que las bombas de piñones con cuerpo de aluminio por lo que ensamblan en sistemas hidráulicos donde las bombas de aluminio estarían al límite de su diseño.

Bombas hidráulicas de engranajes internos:

La bombas de engranes internos destacan por tener un nivel de ruido y pulsación bajo y por ofrecer una eficiencia volumétrica muy alta. Su óptima distribución de cargas y los rodamientos especiales de baja fricción permiten una larga durabilidad de la bomba.

Este tipo de bomba también está disponible en bombas tándem, triples e incluso cuádruples.

Bombas hidráulicas de paletas:

Este tipo de bombas hidráulicas en general son más silenciosas que las bombas de engranajes externos y suelen tener un nivel de eficiencia algo superior. Como contrapartida, como la mayoría de componentes oleohidráulicos, son sensibles a cualquier suciedad que pueda haber en el circuito hidráulico por ello es tan importante mantener limpio el sistema y el fluido hidráulico.

El buen mantenimiento del sistema hidráulico, tanto del estado del aceite, de los filtros como la limpieza regular de depósito, tuberías, etc. es esencial para cualquier máquina.

Existen también, al igual que en las bombas hidráulicas de pistones, bombas hidráulicas de paletas de caudal fijo y de caudal variable.

Bombas hidráulicas de pistones:

Con respecto a las bombas hidráulicas de pistones hay multitud de tipos: de caudal o cilindrada fija, de cilindrada o caudal variable, para circuito abierto, para circuito cerrado (transmisiones hidrostáticas), con tipología de construcción de pistones axiales, con tipología de construcción de pistones radiales.

Motores eléctricos

Motor eléctrico: la potencia del motor viene determinada por varios factores: cilindrada/cilindradas de la bomba/bombas hidráulica/hidráulicas y de la presión máxima de trabajo para la que el circuito hidráulico haya sido diseñado así como de las distintas eficiencias mecánicas, hidráulicas de cada uno de los componentes que formen parte del sistema.

Cuanto mayor sea el caudal oleohidráulico necesario y más alta sea la presión máxima de trabajo, mayor será la potencia requerida en el motor eléctrico.

También hay otras variables que definirán el tipo y tamaño de motor eléctrico en el sistema hidráulico: corriente monofásica o trifásica 50/60Hz, tensión del motor (220V, 400V, 600V, 12VDC, 24VDC, 48VDC), frecuencia (50 o 60 Hz), conexionado en estrella o triángulo, nivel de eficiencia (IE1, IE2, IE3), número de polos (o número de revoluciones por minuto), etc.

Se pueden clasificar también según su tipología constructiva: con patas, sin patas, con brida tipo B5, con brida tipo B14, etc.

Motores de explosión

Motobombas con motores de explosión: la bomba hidráulica del sistema hidráulico también puede ser accionada por otros tipos de actuadores primarios. Además del motor eléctrico, la bomba oleohidráulica puede ser accionada mediante motor de combustión interna (gasolina o diésel), por la toma de fuerza del tractor, por la toma de fuerza del camión, por polea, por engranajes, etc.

Elementos de transmisión

Elementos de transmisión: entendemos como elementos de transmisión al componente o componentes encargados de unir el actuador primario (motor eléctrico, motor de explosión, toma de fuerza, etc.) a la bomba hidráulica.

Elementos de unión en grupos hidráulicos

Campanas de unión: la campana de unión es un elemento mecánico utilizado para conectar el motor eléctrico a la bomba hidráulica. Se dimensionan en función del tamaño de la brida del motor eléctrico y de la forma de la brida delantera de la bomba hidráulica.

Acoplamientos elásticos: Los acoplamientos elásticos son componentes formados básicamente por un elemento que va al eje del actuador primario (normalmente motor eléctrico o de combustión interna), otro elemento que va al eje de la bomba y una estrella intermedia normalmente fabricada de caucho que es la encargada de absorber los pequeños desalineamientos y/o descentrajes que pueda haber entre los ejes de la bomba y motor eléctrico del sistema hidráulico. Cada fabricante o tipo de acoplamiento permite una tolerancia en el desalineamiento axial o radial por lo que debe controlarse bien esta variable en el momento de la instalación del equipo.

La determinación del tamaño y tipo de acoplamiento elástico dependerá de diversas variables y especificaciones del sistema hidráulico tales como: par motor máximo, potencia del motor eléctrico, velocidad de giro o número de polos del motor eléctrico, tamaño del eje del motor eléctrico, tipo de eje de la bomba hidráulica, etc. Los valores de potencia y par motor pueden calcularse en función de variables básicas, entre otras variables, como la cilindrada de la bomba y presión máxima de trabajo.

Cilindros hidráulicos

Cilindros hidráulicos: en función de la fuerza máxima / peso a mover y de la carrera a realizar: cilindros hidráulicos de simple efecto, cilindros de doble efecto (con sus distintas características constructivas), cilindros telescópicos, cilindro con brida delantera, con brida trasera, etc..

Motores hidráulicos

Motores hidráulicos: En función de la velocidad de giro requerida y del par motor necesario en el equipo, existen varios tipos de motores oleohidráulicos según su tipología de construcción: motores hidráulicos de engranajes, motores hidráulicos de pistones, motores hidráulicos de paletas, con soporte o sin soporte rodamiento, unidireccionales, reversibles, con drenaje interno, con drenaje externo, etc.:

A continuación, enumeraremos cada uno de ellos:

Motores hidráulicos de engranajes: Su aplicación en el mercado está muy extendida, se suelen montar en máquinas que requieran una alta velocidad de rotación en el eje del motor hidráulico tales como las sierras con discos de corte, sembradoras, las desbrozadoras hidráulicas de cadenas o desbrozadoras de cuchillas, el movimiento de turbinas de aire, esparcidores de estiércol, etc.

Motores hidráulicos orbitales: Este tipo de motores hidráulicos se caracterizan por suministrar un alto par motor a baja / media velocidad de giro. El uso de motores de tipo orbitrol es muy común tanto en el mercado agrícola como en el mercado industrial, naval, forestal, etc. Su utilización puede darse en máquinas tipo cabrestante, maquinillas de pesca, cosechadoras de remolacha, maquinaria de obra pública, maquinaria de inyección de plástico, máquinas de perforación, etc. Es importante proteger el circuito de los motores hidráulicos mediante válvulas limitadoras de presión y de caudal para que el motor trabaje siempre dentro de sus límites para el cual ha sido diseñado. A nivel mecánico, los motores de tipo orbital suelen tener rodamientos cónicos, de bolas o de agujas que permiten un cierto nivel de esfuerzo radial y/o axial en su eje pero es de suma importancia también evitar al máximo este tipo de esfuerzos en su eje para alargar la vida del motor. Es recomendable siempre asegurar que estos valores de presión, caudal o esfuerzos en el eje del motor estén dentro de los márgenes establecidos en el correspondiente catálogo de motores hidráulicos.

Motores hidráulicos de paletas: Este tipo de motores hidráulicos se caracterizan, al igual que los motores hidráulicos de engranajes, por suministrar un par motor a alta velocidad de giro. El uso de motores hidráulicos de paletas en el mercado agrícola está muy extendido como puede ser en maquinaria de vibración para la cosecha de la almendra, de la oliva/aceituna, avellana, etc.

Motores hidráulicos de pistones: A nivel de motores de pistones hay multitud de tipos: de cilindrada fija, de cilindrada o caudal variable, para circuito abierto, para circuito cerrado (transmisiones hidrostáticas), con tipología de construcción de pistones axiales (suelen ser para velocidad media/alta), con tipología de construcción de pistones radiales (suelen utilizarse donde se requiera un muy alto par a muy baja velocidad). Cabe destacar que hay algún tipo de motor hidráulico de pistones axiales diseñado para trabajar a muy alta velocidad (por encima incluso de las 12.000 rpm en algunos modelos de motor que suelen utilizarse para sierras de corte en el sector forestal y agrícola).

Válvulas hidráulicas, distribuidores y elementos de control

Las válvulas hidráulicas, los distribuidores hidráulicos y los distintos elementos de control son los componentes que controlarán la velocidad del flujo de aceite hidráulico, el sentido o la presión.

Existen multitud de válvulas en función de la necesidad del circuito oleodinámico:

• Distribuidoras de caudal o válvulas direccionales (distribuidores monobloque o componibles/seccionales, electroválvulas direccionales, etc.).
• Repartidores de caudal (o divisores de caudal).
• Válvulas overcenter (o de control de carga).
• Válvulas anti-retorno.
• Válvulas de secuencia.
• Válvulas reguladoras de caudal.
• Válvulas limitadoras de presión y válvulas de seguridad.
• válvulas reductoras de presión.

Válvulas hidráulicas en línea

Las válvulas hidráulicas en línea van intercaladas entre los componentes del circuito>/p>

Válvulas hidráulicas embridables o flangeables

Las válvulas hidráulicas embridables o también denominadas “flangeables” van ensambladas anexas al componente hidráulico.

Puede ir anexa a la bomba hidráulica, al cilindro, al motor hidráulico, etc. y tienen la ventaja de no necesitar una manguera de conexionado entre la válvula y el otro componente hidráulico lo que significa un ahorro de costes por haber menos mangueras (menos tiempo de mano de obra de montaje) además de ser más eficientes y con menos riesgos de fugas hidráulicas.

Válvulas hidráulicas de cartucho o insertables

Las válvulas hidráulicas insertables o también denominadas “de cartucho” van ensambladas directamente sobre un bloque hidráulico o manifold.

Este tipo de válvulas hacen que el circuito sea muy compacto ya que las válvulas están insertadas en un bloque hidráulico mecanizado con las correspondientes dimensiones y roscas de la válvula. De esta forma se pueden evitar las típicas mangueras y tuberías de un sistema con válvulas en línea por lo que, al igual que con las válvulas embridables, se consigue un circuito eficiente y con menos posibilidades de fugas hidráulicas.

Electroválvulas hidráulicas

Electroválvulas hidráulicas: distribuyen el flujo de aceite hidráulico en un sentido o en otro en función del tipo de corredera que tienen (centro abierto, centro cerrado, puerto P cerrado con A y B a tanque, etc.) y en función del voltaje de accionamiento de su bobina o bobinas (solenoides).

Están disponibles para tensiones de todo tipo tanto alterna como corriente continua: 12V, 24V, 48V, 105-115V, 220-240V, etc.

El caudal que vaya a pasar a través de ellas determinará el tamaño y en este tipo de electroválvulas modulares la clasificación está estandarizada: NG4 (o CETOP 2), NG6 (o CETOP 3), NG10 (o CETOP 5) y NG16 (o CETOP 7).

Acumuladores hidráulicos

Acumuladores: El acumulador hidráulico es un recipiente diseñado para almacenar una cierta cantidad de aceite oleohidráulico a presión con el fin de utilizarlo cuando el sistema hidráulico lo requiera. Existen varios tipos de acumuladores como pueden ser los acumuladores hidráulicos de vejiga, los acumuladores de membrana o los acumuladores de pistón.

Depósitos hidráulicos

Depósito: la temperatura y la limpieza del aceite son 2 de las variables más importantes a tener controladas en cualquier grupo o sistema hidráulico. Evidentemente, cuanto más grande sea el depósito, mayor será la cantidad de aceite que cabrá en su interior y, por lo tanto, más le costará al aceite incrementar su temperatura.

Por otra parte, cuanto más volumen tenga el tanque hidráulico, mayor será la disipación de calor al exterior a través de las paredes del depósito. No obstante, dado que el presupuesto y el espacio disponible suelen ser limitados, el volumen del depósito debe ser siempre optimizado y seleccionado convenientemente.

La elección del tipo y tamaño del depósito dependerá de diversas variables tales como: caudal máximo de aceite dado por la bomba hidráulica, presión máxima de trabajo, temperatura ambiente, ritmo de trabajo de la máquina hidráulica o ciclo de trabajo (tiempo de marcha vs tiempo de paro), tamaño de depósito utilizado en aplicaciones similares, etc.

El material del tanque hidráulico también es una variable que define al depósito hidráulico: puede ser acero, plástico, acero inoxidable, etc. Es importante que el depósito, por lo menos, disponga como accesorio de un tapón de llenado “desvaporizador” que pueda evacuar al exterior los vapores que puedan generarse en su interior durante los cambios de temperatura del aceite hidráulico. En la parte más baja del tanque se instala normalmente un tapón con o sin válvula para el vaciado del depósito cuando sea necesario por tareas de mantenimiento.

Sobre el deposito o reservorio de aceite pueden incluirse también componentes de control como los niveles de aceite (visual o eléctrico), filtros desecantes o deshumificadores formados normalmente por silica gel. Este tipo de filtros se utilizan principalmente para que el aire que entra al depósito esté libre de impurezas y libre de humedad, muy importante para mantener la calidad y las propiedades químicas del aceite oleohidráulico, etc.

Refrigeradores hidráulicos

Intercambiadores de calor: también llamados refrigeradores de aceite. En función del fluido encargado de refrigerar el aceite, existen varios tipos de intercambiadores de calor: refrigerados por aire mediante ventilación forzada, refrigerados por convección natural (sin ventilación externa), refrigerados por agua (también los hay preparados para refrigerar el aceite utilizando el agua del mar), etc.

En el caso de los intercambiadores de calor por aire mediante ventilación forzada, la hélice que hace mover el aire a través de los tubos y aletas del refrigerador puede ser accionada mediante motor eléctrico o motor hidráulico.

Los intercambiadores de calor que utilizan el agua para reducir la temperatura del fluido oleohidráulico son también muy comunes en la industria y en aplicaciones náuticas (existen también intercambiadores diseñados y preparados con materiales especiales para las condiciones adversas y de corrosión que suelen darse en ambientes marinos):

La determinación y dimensionamiento del refrigerador adecuado será función de la temperatura ambiente máxima de trabajo y de las ineficiencias del circuito oleohidráulico. Cuanto más ineficiente sea el sistema hidráulico, mayor deberá ser la capacidad de evacuación de calor del intercambiador de calor para conseguir una temperatura del fluido hidráulico estable y dentro de los márgenes de diseño y seguridad.

Filtros hidráulicos

La filtración hidráulica podría ocupar todo un artículo por si sola ya que existen multitud de tipos de filtros y su elección puede ser más o menos compleja. Básicamente en este artículo comentaremos los tipos de filtros en función de su situación en el sistema oleohidráulico:

• Filtros de aspiración: pueden estar sumergidos en el aceite hidráulico del depósito o pueden estar en la línea de aspiración que son los llamados filtros de tipo spin-on los cuales van intercalados en la línea que va del depósito a la entrada de la bomba hidráulica. Suelen utilizarse para que las impurezas que puedan haber, entrar o formarse en el reservorio, no sean aspiradas por las bomba hidráulica y así evitar que se contamine el circuito.

• Filtros de retorno: van situados en la línea de aceite que llega al depósito: existen tanto en formato en línea (spin-on) como de tipo semisumergidos (colocados en la tapa del tanque oleohidráulico).

• Filtros de presión: se ensamblan en la salida de la bomba o antes de los elementos de distribución. Los filtros hidráulicos de presión se montan principalmente en sistemas complejos y sirven para proteger componentes de control de alto valor económico y que requieran un nivel de limpieza óptimo para el correcto funcionamiento y evitar comportamientos erráticos como por ejemplo en elementos de control como pueden ser válvulas/electroválvulas de hidráulica proporcional o servoválvulas hidráulicas.

• Filtros desecantes: también llamados filtros de absorción o deshumidificadores (air breathers en inglés). Se utilizan como respiradores de en depósitos de fluidos, transformadores, bombas, cajas de engranajes o depósitos de almacenaje. Son los encargados de mantener limpio el fluido interior absorbiendo la entrada de humedad y suciedad a través de su material filtrante (silica gel). Con ello se reducen considerablemente los costes de mantenimiento del equipo así como se alarga la vida del fluido manteniendo sus características químicas y virtudes técnicas por más tiempo.

Instrumentación

Elementos de medida y verificación: componentes ideales para verificación del estado del sistema hidráulico tales como manómetros, transductores varios, vacuómetros, indicadores de suciedad del aceite, caudalímetros, detectores de fugas, etc.

Manómetros

Caudalímetros

Presostatos

Presostatos: son los componentes hidráulicos encargados de abrir o cerrar un circuito eléctrico en función de la presión leída por el presostato.

Termostatos

Termostatos: son los componentes encargados de abrir o cerrar un circuito eléctrico en función de la temperatura leída por el termostato.

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