Qué es un Sistema Hidráulico y cómo funciona
Con una gran variedad de aplicaciones, los sistemas hidráulicos se utilizan en todo tipo de entornos industriales grandes y pequeños, así como en edificios, equipos de construcción y vehículos. Las fábricas de papel, la explotación forestal, la fabricación, la robótica y el procesamiento del acero son los principales usuarios de equipos hidráulicos.
Como forma eficaz y rentable de crear movimiento o repetición, los equipos basados en sistemas hidráulicos son difíciles de superar. Es probable que tu empresa utilice la hidráulica en una o más aplicaciones por estas razones.
En este artículo, vamos a contarte todo lo que necesitas saber sobre los sistemas hidráulicos.
¿Qué es un sistema hidráulico?
Un sistema hidráulico utiliza un fluido bajo presión para accionar maquinaria o mover componentes mecánicos.
El movimiento controlado de piezas o la aplicación controlada de fuerza es un requisito común en las industrias. Estas operaciones se realizan principalmente utilizando máquinas eléctricas o motores diésel, gasolina y vapor.
Este tipo de motores pueden proporcionar varios movimientos a los objetos mediante el uso de algunos accesorios mecánicos como martinetes, palancas, cremalleras, piñones, etc.
Los fluidos encerrados (líquidos y gases) también se pueden utilizar como motores principales para proporcionar movimiento y fuerza controlada a los objetos o sustancias. Los sistemas de fluidos especialmente diseñados pueden proporcionar movimientos tanto lineales como rotativos.
Este tipo de sistemas cerrados basados en fluidos que utilizan líquidos incompresibles presurizados como medios de transmisión se denominan sistemas hidráulicos. El sistema hidráulico funciona según el principio de la ley de Pascal que dice que la presión en un fluido encerrado es uniforme en todas las direcciones.
Qué es la presión hidráulica
La presión hidráulica se basa en el Principio de Pascal, establecido por el matemático francés Blaise Pascal en 1647-1648.
El Principio de Pascal es un principio de la mecánica de fluidos que establece que la presión en un punto tiene una dirección infinita, y por lo tanto la presión cambiada en cualquier punto en un líquido incompresible presurizado se transmite a través del fluido, de tal forma que el mismo cambio ocurre en todas partes.
El principio, cuando se escribe matemáticamente, es el siguiente: ∆P= ρg x (∆h)
∆P es la presión hidrostática o, más simplemente, la diferencia de presión de dos puntos dentro de una columna de fluido. A la unidad para la presión se le denomina en el Sistema internacional, Pascales.
Aquí, ρ es la densidad del fluido en kilogramos por metro cúbico. El término g en la ecuación anterior significa la aceleración debida a la gravedad (medida en metros por segundo al cuadrado). ∆h es la altura del fluido por encima del punto de medición en la columna de fluido, que se mide en metros.
La ecuación anterior puede entenderse muy bien de manera intuitiva. El cambio en la presión ocurre debido al cambio en la energía potencial del líquido por unidad de volumen del líquido, que a su vez es causada por la aceleración debida a la gravedad.
Qué es un fluido hidráulico
El fluido hidráulico es el medio a través del cual un sistema hidráulico transmite su energía y, teóricamente, se puede utilizar prácticamente cualquier fluido.
Sin embargo, debido a la presión de operación (3000 a 5000 psi) que la mayoría de los sistemas hidráulicos generan en combinación con las condiciones ambientales y los estrictos criterios de seguridad bajo los cuales debe operar el sistema, el fluido hidráulico que se utiliza debe tener las siguientes propiedades:
Alto punto de inflamación.
En el caso de una fuga hidráulica, no debe producirse la ignición del fluido a las temperaturas normales de funcionamiento de los componentes circundantes. Se han desarrollado fluidos hidráulicos especiales con propiedades resistentes al fuego. La temperatura de auto-ignición de la mayoría de los fluidos hidráulicos está en el rango de 475 grados centígrados.
Viscosidad adecuada.
Los sistemas hidráulicos deben funcionar eficientemente en un amplio espectro de temperaturas. El fluido utilizado debe fluir fácilmente a temperaturas muy bajas, pero también debe mantener una viscosidad adecuada a altas temperaturas. El aceite hidráulico ideal tendrá un punto de congelación muy bajo y un punto de ebullición muy alto.
Propiedades del lubricante.
El fluido hidráulico actúa como lubricante para las bombas, actuadores y motores del sistema. El fluido debe tener propiedades anticorrosivas y ser térmicamente estable.
Capacidad Térmica/Conductividad.
El fluido hidráulico actúa como refrigerante del sistema. El fluido debe ser capaz de absorber y liberar calor fácilmente.
Elementos de un sistema hidráulico
Los principales elementos que componen un sistema hidráulico son el depósito, la bomba, la(s) válvula(s) y el(los) actuador(es): motor, cilindro, etc.
Depósito
El propósito del depósito hidráulico es retener un volumen de fluido, transferir calor del sistema, permitir que los contaminantes sólidos se asienten y facilitar la liberación de aire y humedad del fluido.
Bomba
La bomba hidráulica transmite energía mecánica a la energía hidráulica. Esto se hace por el movimiento del fluido que es el medio de transmisión. La energía mecánica se convierte en energía hidráulica mediante el caudal y la presión de una bomba hidráulica.
Las bombas hidráulicas funcionan creando un vacío en la entrada de la bomba, forzando el líquido de un depósito a una línea de entrada y a la bomba. La acción mecánica envía el líquido a la salida de la bomba y, al hacerlo, lo introduce en el sistema hidráulico.
Hay varios tipos de bombas hidráulicas incluyendo engranajes, paletas y pistones. Todas estas bombas tienen diferentes subtipos destinados a aplicaciones específicas, como una bomba de pistón de eje curvo o una bomba de paletas de caudal variable.
Todas las bombas hidráulicas funcionan según el mismo principio, que consiste en desplazar el volumen de fluido contra una carga o presión resistente. Pero hay dos tipos que destacan y son las más utilizadas que se describen a continuación:
- Bombas centrífugas: La bomba centrífuga utiliza energía cinética rotacional para entregar el fluido. La energía de rotación proviene normalmente de un motor o de un motor eléctrico.
- Bombas de pistón: La bomba de pistón es una bomba de émbolo positivo. También se conoce como bomba de desplazamiento positivo o bomba de pistón. Se utiliza a menudo cuando se trata de cantidades relativamente pequeñas y la presión de entrega es bastante grande. La construcción de estas bombas es similar a la del motor de cuatro tiempos.
Válvulas
Las válvulas hidráulicas se utilizan en un sistema para arrancar, detener y dirigir el flujo de fluido. Las válvulas hidráulicas están compuestas de paletas 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 puede hacerse mediante el uso de un cilindro hidráulico que convierte la energía hidráulica en movimiento y trabajo lineal, o un motor hidráulico que convierte la energía hidráulica en movimiento y trabajo rotativo.
Al igual que las bombas hidráulicas, los cilindros hidráulicos y los motores hidráulicos tienen varios subtipos diferentes, cada uno de los cuales está diseñado para aplicaciones de diseño específicas.
Cilindros hidráulicos
Un cilindro hidráulico es un mecanismo que convierte la energía almacenada en el fluido hidráulico en una fuerza utilizada para mover el cilindro en una dirección lineal. También tiene muchas aplicaciones y puede ser de simple o doble efecto.
Como parte del sistema hidráulico completo, los cilindros inician la presión del fluido, cuyo caudal es regulado por un motor hidráulico.
Motores hidráulicos
La conversión de la presión y el flujo hidráulico en par (o fuerza de torsión) y luego en rotación es la función de un motor hidráulico, que es un actuador mecánico.
El uso de estos es bastante adaptable. Junto con los cilindros hidráulicos y las bombas hidráulicas, los motores hidráulicos pueden unirse en un sistema de accionamiento hidráulico. Combinados con bombas hidráulicas, los motores hidráulicos pueden crear transmisiones hidráulicas.
Mientras que algunos motores hidráulicos funcionan con agua, la mayoría hoy en día son impulsados por fluidos hidráulicos.
Cómo funciona un sistema hidráulico
Ahora que ya conocemos que la presión hidráulica se basa en el principio de Pascal, podemos conocer la construcción y funcionamiento del sistema hidráulico. El sistema consta de dos cilindros que se llenan con un fluido. El fluido presente en el interior de los dos cilindros suele ser aceite. El fluido se llena en el cilindro más pequeño, también conocido como cilindro esclavo.
Se inserta un pistón en el cilindro esclavo y se aplica presión. La presión aplicada hace que el fluido se mueva a través de una tubería hacia un cilindro más grande. El cilindro más grande se conoce como cilindro maestro. La presión ejercida sobre el cilindro maestro y el pistón del cilindro maestro empuja el fluido de vuelta al cilindro esclavo.
La fuerza aplicada sobre el fluido por el cilindro esclavo resulta en una gran fuerza, la cual es experimentada por el cilindro maestro. Una prensa hidráulica industrial viene con lo que se conoce como placas de prensado. Con la ayuda de estas placas de prensado, el material sobre el que se va a trabajar se perfora o se tritura en hojas.
Al transportar líquido a través de un conjunto de componentes interconectados, un circuito hidráulico es un sistema que puede controlar por donde fluye el fluido (como los sistemas termodinámicos), así como controlar la presión del fluido (como los amplificadores hidráulicos).
El sistema de un circuito hidráulico funciona de forma similar a la teoría de circuitos eléctricos, utilizando elementos lineales y discretos. Los circuitos hidráulicos se aplican a menudo en el procesamiento químico (sistemas de flujo).
Los sistemas hidráulicos utilizan la bomba para empujar el fluido hidráulico a través del sistema para crear energía hidráulica. El fluido pasa a través de las válvulas y fluye hacia el cilindro donde la energía hidráulica se convierte de nuevo en energía mecánica. Las válvulas ayudan a dirigir el flujo del líquido y a aliviar la presión cuando es necesario.
El eje de salida transfiere el movimiento o la fuerza, sin embargo, todas las demás partes ayudan a controlar el sistema. Por su parte, el tanque de almacenamiento/fluido es un depósito para el líquido utilizado como medio de transmisión.
El líquido utilizado es generalmente aceite incompresible de alta densidad. Este se filtra para eliminar el polvo o cualquier otra partícula no deseada y luego se bombea por la bomba hidráulica.
La capacidad de la bomba depende del diseño del sistema hidráulico. Por lo general, estas bombas proporcionan un volumen constante en cada revolución del eje de la bomba. Por lo tanto, la presión del fluido puede aumentar indefinidamente en el punto muerto del pistón hasta que el sistema falle.
El regulador de la presión actúa en el circuito para evitar las circunstancias que redirigen el exceso de fluido de vuelta al tanque de almacenamiento.
El movimiento del cilindro se controla mediante una válvula de control que dirige el flujo de fluido. La línea de presión de fluido permite elevar y bajar el pistón, así como detener el flujo del fluido.
Otra característica importante del funcionamiento del sistema hidráulico es la de utilizar tuberías a prueba de fugas por términos de seguridad y de los riesgos medioambientales.
Energía hidráulica y seguridad
La hidráulica presenta una serie de peligros que hay que tener en cuenta, y por esa razón se requiere capacitación en seguridad.
Hay que recordar que el propósito de los sistemas hidráulicos es crear movimiento o fuerza. Es una fuente de energía, generando energía.
Por lo tanto, al igual que otras fuentes de energía, la energía hidráulica debe ser controlada, utilizando un dispositivo de aislamiento de energía adecuado que impida la liberación física de energía. También existen sistemas que requieren la liberación de energía hidráulica almacenada para aliviar la presión.
Y también, aquellos que se dedican al bloqueo/etiquetado, también deben verificar la liberación de la energía/presión hidráulica almacenada (normalmente indicada por la presión cero en los manómetros) antes de trabajar en el equipo.
Aplicaciones de los sistemas hidráulicos:
Los sistemas hidráulicos se utilizan principalmente para el control preciso de fuerzas mayores. Las principales aplicaciones del sistema hidráulico se pueden clasificar en cinco categorías:
- 1. Industrial: Maquinaria de procesamiento de plásticos, fabricación de acero y aplicaciones de extracción primaria de metales, líneas de producción automatizadas, industrias de máquinas herramienta, industrias papeleras, cargadoras, trituradoras, maquinaria textil, equipos de I + D, sistemas robóticos, etc.
- 2. Hidráulica móvil: Tractores, sistema de irrigación, equipo de movimiento de tierra, equipo de manipulación de materiales, vehículos comerciales, equipo de perforación de túneles, equipo ferroviario, maquinaria de construcción, equipos de perforación, etc.
- 3. Automóviles: Se utiliza en los sistemas como frenos, amortiguadores, sistema de dirección, protección contra el viento, elevación, limpieza, etc.
- 4. Aplicaciones marinas: Cubre principalmente los buques de navegación oceánica y los barcos de pesca.
- 5. Equipos aeroespaciales: Hay equipos y sistemas utilizados para el control del timón, trenes de aterrizaje, frenos, control de vuelo y transmisión, etc., que se utilizan en aviones, cohetes y naves espaciales.
Ventajas del sistema hidráulico
Un sistema hidráulico es un eficiente transmisor de potencia por muchas razones. En primer lugar, sus sencillas palancas y botones pulsadores facilitan el arranque, la parada, la aceleración y la desaceleración. Esto también permite la precisión del control. Además, debido a que es un sistema simple, sin engranajes, poleas o palancas incómodas, se adapta fácilmente a un enorme rango de pesos.
Proporciona una fuerza constante, independientemente de los cambios de velocidad.
En su mayor parte, los sistemas hidráulicos son simples, seguros y económicos porque utilizan menos piezas móviles en comparación con los sistemas mecánicos y eléctricos, lo que hace que sean más fáciles de mantener.
Los sistemas hidráulicos son seguros de usar en plantas químicas y minas porque no causan chispas.
Desventajas del sistema hidráulico
Los sistemas hidráulicos también tienen algunos inconvenientes. El manejo de los fluidos hidráulicos es complicado y puede ser difícil deshacerse totalmente de las fugas en un sistema hidráulico. Si el fluido hidráulico se filtra en zonas calientes, puede incendiarse. Si los conductos hidráulicos estallan, pueden causar lesiones graves.
Hay que tener cuidado al manipular fluidos hidráulicos, ya que demasiada exposición puede causar problemas de salud.
Los fluidos hidráulicos también son corrosivos, pero algunos tipos lo son menos que otros. Por ejemplo, hay dos tipos principales de líquido de frenos disponibles para bicicletas de montaña hidráulicas: el líquido DOT y el aceite mineral. Debido a sus propiedades anticorrosivas, es menos probable que el aceite mineral destruya la pintura de una motocicleta.
Para mantener su sistema hidráulico en perfecto estado, hay que revisarlos periódicamente en busca de fugas, lubricarlos cuando sea necesario y cambiarle los filtros y sellos cuando sea necesario.
Conclusión
Los equipos hidráulicos se utilizan con mayor frecuencia para levantar o mover cargas pesadas, ya que son de bajo costo, pero pueden generar mucha energía. Aunque la idea detrás de la hidráulica es muy simple y tiene varios cientos de años de antigüedad, debido a que funciona tan bien, los ingenieros sólo han podido mejorar algunos de los componentes de un sistema hidráulico en lugar de reemplazarlo completamente con algo nuevo.
El especialista en hidráulica, que entiende la presión y cómo controlarla, sabe casi la mitad de todo lo que hay que saber en su campo. Cuando combina estos conocimientos con los principios del flujo, el técnico tiene el mundo de la hidráulica al alcance de la mano.
Tener un conocimiento práctico de la hidráulica del tipo que hemos tratado en este artículo te ayudará a entender mejor un lugar de trabajo moderno, ser más eficiente, productivo y seguro.
