MECANICA AUTOMOTRIZ VI

Ing. Dionisio Gutirrez Quispe.

Gutirrez Huaman RUTHBEL

SISTEMA HIDRAULICO DE MAQUINARIA PESADA

Principios de la hidrulica.

Todas las mquinas de movimiento de tierras actuales, en mayor o menor medida, utilizan los sistemas hidrulicos para su funcionamiento; de ah la importancia que estos tienen en la configuracin de los equipos y en su funcionamiento.

Un sistema hidrulico constituye un mtodo relativamente simple de aplicar grandes fuerzas que se pueden regular y dirigir de la forma ms conveniente. Otras de las caractersticas de los sistemas hidrulicos son su confiabilidad y su simplicidad. Todo sistema hidrulico consta de unos cuantos componentes relativamente simples y su funcionamiento es fcil de entender.

Vamos a tratar de describir algunos principios de funcionamiento as como algunos componentes simples y la forma en que se combinan para formar un circuito hidrulico.

Hay dos conceptos que tenemos que tener claros el de fuerza y el de presin. Fuerza es toda accin capaz de cambiar de posicin un objeto, por ejemplo el peso de un cuerpo es la fuerza que ejerce, sobre el suelo, ese objeto. La presin es el resultado de dividir esa fuerza por la superficie que dicho objeto tiene en contacto con el suelo. De esto sale la formula de Presin = Fuerza/Superficie. P=F/S

De aqu podemos deducir que la Fuerza Presin X Superficie; y Superficie = fuerza/Presin.

La presin se mide generalmente en Kilogramos/Cm2.

La hidrulica consiste en utilizar un liquido para transmitir una fuerza de un punto a otro.

Los lquidos tienen algunas caractersticas que los hacen ideales para esta funcin, como

son las siguientes:

Incompresibilidad. (Los lquidos no se pueden comprimir)

Movimiento libre de sus molculas. (Los lquidos se adaptan a la superficie que los contiene).

Viscosidad. (Resistencia que oponen las molculas de los lquidos a deslizarse unas sobre otras).

Densidad. (Relacin entre el peso y el volumen de un lquido). D=P/V La densidad patrn es la del agua que es 1, es decir un decmetro cbico pesa un kilo.

El principio ms importante de la hidrulica es el de Pascal que dice que la fuerza ejercida sobre un liquido se transmite en forma de presin sobre todo el volumen del lquido y en todas direcciones.

Como ejemplo podemos llenar un tubo de agua y colocar dos tapones en los extremos, si golpeamos uno de ellos, el otro saldr disparado con la misma fuerza que le hemos aplicado al primero. De la misma forma si en cada extremo del tubo colocamos dos cilindros hidrulicos iguales y empujamos uno de ellos con una determinada fuerza, el otro se mover en sentido contrario con la misma fuerza ejercida.

Ahora bien si el segundo de los cilindros es el doble de grande que el primero, la fuerza ejercida en el primero se multiplicar en el segundo, de forma que por ejemplo si el primero tiene una superficie de 5 Cm2 y ejercemos una fuerza de 10 Kg resulta una presin de 0,5 Kg/Cm2 que transmitida al segundo en el supuesto de que tenga 100 Cm2 de superficie X 0,5 Kg/Cm2 resultar una fuerza de 50 Kg.

Por lo tanto adems de poder transmitir la fuerza a cualquier punto, tambin podemos variar la misma cambiando la superficie sobre la que es ejercida.

Generalmente la fuerza Hidrulica se consigue empujando el aceite por medio de una bomba conectada a un motor, se transmite a travs de tuberas metlicas, conductos, latiguillos, etc. y se proyecta en cilindros hidrulicos, motores, etc.

Un circuito hidrulico bsico podra constar de un depsito de aceite, una bomba que lo impulsa, una tubera que lo transmite y un cilindro que acta.

Componentes bsicos de los circuitos hidrulicos.

Los sistemas hidrulicos se componen bsicamente de:

Bombas.

Tuberas.

Vlvulas.

Depsitos.

Cilindros o botellas.

Motores.

Filtros.

Las bombas hidrulicas en maquinaria suelen ser de tres tipos fundamentalmente: Bombas de engranajes, bombas de paletas y bombas de pistones.

Las tuberas de conduccin de los circuitos hidrulicos pueden ser metlicas con tubos rgidos conformados a la medida o bien latiguillos de goma con una o varias capas de alambres de acero trenzado en su interior, dependiendo de la presin para la cual estn diseados.

Las vlvulas son fundamentales en los circuitos hidrulicos, y son las que controlan los flujos de aceite para dirigirlos hacia el lugar conveniente en cada momento. Cada fabricante puede denominarlas de una manera distinta, pero bsicamente las funciones son similares en casi todos los circuitos hidrulicos. Podemos hablar de vlvulas de carrete, de retencin, reductoras de presin, de seguridad, compensadoras, pilotadas, antirretorno, moduladoras, combinadas, etc. Actualmente la tendencia general de todos los fabricantes es la de sustituir los circuitos pilotados hidrulicamente por pilotaje electrnico que resulta mas cmodo, barato y sencillo, los circuitos son mandados por seales elctricas y en unos pocos aos la parte hidrulica de las mquinas se limitar a los circuitos principales que son menos propensos a las averas.

Los depsitos hidrulicos pueden ser de dos tipos: Presurizados que mantienen durante el funcionamiento de la mquina una presin en su interior que favorece la descarga de aceite hacia las bombas. Depsitos con respiradero que no mantienen presin en su interior.

Los cilindros o botellas pueden tener diversas formas o tener los soportes colocados de distinta manera, pero generalmente se pueden clasificar por el sistema de cierre de la tapa que varia en funcin de la presin que tengan que soportar. Las tapas que usan tornillos aguantan generalmente ms presin que las tapas que van atornilladas directamente en la camisa. Estas ltimas pueden ser atornilladas exteriormente o bien en la parte interior de la camisa.

Motores hidrulicos son generalmente de pistones y caudal fijo, se utilizan generalmente para la traslacin de las mquinas. Filtros hidrulicos, van generalmente en derivacin con el circuito principal y suele pasar por ellos una parte de la presin de retorno, circunstancia por la cual, su eficacia en el circuito es limitada. No suelen colocarse en las lneas de presin porque necesitaran ser muy reforzados para aguantar tan altas presiones y serian antieconmicos. En las lneas de aspiracin de las bombas podran dar lugar a restricciones que produciran cavitacin acortando as drsticamente la vida til de las mismas.

Como consecuencia de los cambios que estn experimentando los circuitos hidrulicos tanto en cuanto a su configuracin, (nuevos elementos electrnicos, sensores ms eficaces, pasos de aceite ms restringidos), como en cuanto a su tecnologa, (ajustes de vlvulas ms pequeos, cilindros y vstagos con mecanizados ms finos, menores tolerancias en general en los circuitos), cada vez es mas critica la limpieza del aceite que circula por los mismos, los mantenimientos de los circuitos hidrulicos, al contrario que en otros sistemas, se estn acortando

Un circuito hidrulico en el que se produzca una avera que d lugar a la rotura de algn componente, por sus especiales caractersticas, trasladar la contaminacin inmediatamente a todo el resto del circuito, siendo muy probable que se tenga que desmontar y limpiar el circuito completo para solucionar el problema.

Bombas hidrulicas.

Una bomba hidrulica es un dispositivo tal, que recibiendo energa mecnica de una fuente exterior, la transforma en una energa de presin transmisible de un lugar a otro de un sistema hidrulico a travs de un lquido cuyas molculas estn sometidas precisamente a esa presin .

Se dice que una bomba es de desplazamiento negativo cuando su rgano propulsor no contiene elementos mviles; es decir, que es de una sola pieza, o de varias ensambladas en una sola. Otra definicin para aclarar los trminos dice que las bombas de desplazamiento negativo son las que desplazan una cantidad variable de liquido dependiendo de la presin del sistema. A mayor presin menor cantidad de liquido desplazar.

A este caso pertenecen las bombas centrfugas, cuyo elemento propulsor es el rodete giratorio. En este tipo de bombas, se transforma la energa mecnica recibida en energa hidro-cintica imprimiendo a las partculas cambios en la proyeccin de sus trayectorias y en la direccin de sus velocidades. Es muy importante en este tipo de bombas que la descarga de las mismas no tenga contrapresin pues si la hubiera, dado que la misma regula la descarga, en el caso lmite que la descarga de la bomba estuviera totalmente cerrada, la misma seguira en movimiento NO generando caudal alguno trabajando no obstante a plena carga con el mximo consumo de fuerza matriz.

Por las caractersticas sealadas, en los sistemas hidrulicos de transmisin hidrosttica de potencia hidrulica NUNCA se emplean bombas de desplazamiento negativo.

Se dice que una bomba es de desplazamiento positivo, cuando su rgano propulsor contiene elementos mviles de modo tal que por cada revolucin se genera de manera positiva un volumen dado o cilindrada, independientemente de la contrapresin a la salida. Otra definicin dice que las bombas de desplazamiento positivo son las que desplazan una cantidad constante de liquido, independientemente de la presin del sistema.

En este tipo de bombas la energa mecnica recibida se transforma directamente en energa de presin que se transmite hidrostticamente en el sistema hidrulico.

En las bombas de desplazamiento positivo siempre debe permanecer la descarga abierta, pues a medida que la misma se obstruya, aumenta la presin en el circuito hasta alcanzar valores que pueden ocasionar la rotura de la bomba; por tal causal siempre se debe colocar inmediatamente a la salida de la bomba una vlvula de alivio o de seguridad. con una descarga a tanque y con registro de presin.

En la mayora de las bombas la seccin del orificio de admisin es mayor que el de presin, esta regla casi y en general queda alterada en las bombas de giro bi-direccional donde ambos orificios presentan el mismo dimetro.

La razn de las diferencias de dimetros anotada, queda justificada por la necesidad de ingreso de aceite a la bomba al valor ms bajo posible (mximo 1,20 metros por segundo) quedar como consecuencia unas mnimas prdidas de carga, evitndose de esta forma el peligro de la cavitacin.

En ningn caso debe disminuirse por razones de instalacin o reparacin el dimetro nominal de esta conexin que invariablemente esta dirigida al depsito o tanque como as tambin mantener la altura entre el nivel mnimo de aceite de este ltimo y la entrada en el cuerpo de la bomba de acuerdo a la indicado por el fabricante. Para las bombas a engranajes, paletas y pistones sin vlvulas, los fabricantes dan valores de succin del orden de los 4 a 5 pulgadas de mercurio cuando ellas operan con aceites minerales, disminuyendo este valor a 3 pulgadas de mercurio cuando las bombas operan con fluidos sintticos.

En general podemos decir que la altura mxima a la que debe estar la bomba con respecto al depsito no debe superar nunca los 80 centmetros.

Las bombas de pistones con igual vlvula de admisin y salida no proveen una succin suficiente para elevar el aceite y funcionar sin cavitacin por ello se recurre al llenado o alimentacin por gravedad colocando el depsito por encima de la bomba.

La observacin de lo anotado permitir el funcionamiento correcto de las bombas instaladas asegurando su eficiencia, mediante una aspiracin correcta y preservando la vida til de las mismas al limitar las posibilidades de la cavitacin por una altura a excesiva o una seccin de aspiracin menor es la indicada.

Uno de los problemas que frecuentemente se presentan, es la aspiracin de aire por parte de la bomba (cavitacin), teniendo por consecuencia un funcionamiento deficiente, perdida de presin, excesivo desgaste y funcionamiento sumamente ruidoso.

Los tipos habituales de bombas que suelen utilizarse en maquinaria son de piones, paletas o pistones.

Bombas hidrulicas de engranajes o piones.

Este es uno de los tipos ms populares de bombas de caudal constante usados en la maquinaria. En su forma ms comn, se componen de dos piones dentados acoplados que dan vueltas, con un cierto juego, dentro de un cuerpo estanco. El pin motriz o principal esta enchavetado sobre el rbol de arrastre accionando generalmente por el motor diesel o por una toma de fuerza de la transmisin, etc. Las tuberas de aspiracin o succin y de salida o descarga van conectadas cada una por un lado, sobre el cuerpo de la bomba.

Los dientes de los piones al entrar en contacto por l lado de salida expulsa el aceite contenido en los huecos, en tanto que el vaco que se genera a la salida de los dientes del engranaje provoca la aspiracin del aceite en los mismos huecos.

Los ejes de ambos engranajes estn soportados por sendos cojinetes de rodillos ubicados en cada extremo.

El aceite es atrapado en los espacios entre los dientes y la caja de funcin que los contiene y es transportado alrededor de ambos engranajes desde la lumbrera de aspiracin hasta la descarga. Lgicamente el aceite no puede retornar al lado de admisin a travs del punto de engrane.

Los engranajes de este tipo de bomba generalmente son rectos, pero tambin se emplean engranajes helicoidales, simples o dobles, cuya ventaja principal es el funcionamiento silencioso a altas velocidades. Cabe destacar un hecho al cual hay que poner preferente atencin: deben tomarse precauciones contra el desarrollo de presiones excesivas que pueden presentarse por quedar aceite atrapado entre las sucesivas lneas de contacto de los dientes. Para evitar este inconveniente, se ejecuta en las platinas laterales un pequeo fresado lateral que permite el escapa del aceite comprimido, ya sea hacia la salida o hacia la aspiracin.

En las bombas de engranajes de construccin corriente el aceite ejerce una presin radial considerable sobre los piones lo que provoca la deformacin de los rboles el aumento disimtrico del juego y por consiguiente el aumento de las fugas.

El nmero de vueltas para las bombas de dientes rectos es generalmente de 900 a 1500 r.p.m. En las bombas de dentado helicoidal ya sea simples o actas, la velocidad puede llegar hasta 1800 r.p.m.

En los modelos muy perfeccionados, con dientes corregidos platinas de bronce rectificadas, eliminacin de la compresin de aceite entre los dientes en contactos, el nmero de revoluciones puede llagar hasta 2.500 r.p.m.

Las presiones pueden llegar a 70kg/cm2 y aun valores superiores.Presiones mayores en este tipo de bombas ocasionan ruidos muy molestos de funcionamiento y trepidaciones perjudiciales en el circuito. Es importante que los huecos entre dientes se llenen completamente de aceite durante la aspiracin. En caso contrario los espacios mal llenados evocan la formacin de vapores de aceite, los cuales bruscamente comprimidos, causan choques hidrulicos y un ruido considerable.

Este ruido es ms amortiguado cuando se emplean aceites viscosos, pero aumenta considerablemente con el crecimiento de la velocidad y de la presin. Un recurso que da buen resultado, es aumentar considerablemente el volumen de la cmara de aspiracin El ruido de funcionamiento de la bomba se reduce as considerablemente.

Para obtener un llenado correcto hay que evitar en las tuberas de aspiracin velocidades de aceite superiores a 2 m/seg. Las velocidades de salida no deben ser mayores que 5m/seg. Bombas hidrulicas de paletas.

Las bombas hidrulicas de paletas se utilizan a menudo en circuitos hidrulicos de diversas mquinas de movimiento de tierras. Son tpicas en los sistemas hidrulicos de direccin de las mquinas.

Constan de varias partes:

Anillo excntrico.

Rotor.

Paletas.

Tapas o placas de extremo.

El accionamiento se efecta por medio de un eje estriado que engrana con el estriado interior del rotor. Hay diversos diseos para conseguir el contacto entre la paleta y el anillo; en unos se utiliza la propia fuerza centrfuga que les imprime el giro del rotor, en estos modelos se requiere una velocidad mnima de giro para garantizar el correcto apoyo de la paleta sobre el anillo; en otros modelos esta fuerza centrfuga se refuerza con unos muelles colocados entre la paleta y su alojamiento en el rotor, esto disminuye la velocidad mnima necesaria para el apoyo; otros modelos utilizan una reducida presin hidrulica para empujar la paleta.

Las bombas de paletas son relativamente pequeas en funcin de las potencias que desarrollan y su tolerancia al contaminante es bastante aceptable. En la figura de la pgina el aceite entra por el lado izquierdo, donde es recogido por las paletas que se abren por la fuerza centrifuga y es impulsado hacia el lado de presin por las mismas hasta incorporarse a la salida de presin. unas ranuras especiales en el rotor, conectan el lado de presin con la parte inferior de las paletas para ayudar a la fuerza centrifuga a impulsarlas hacia fuera.

La aspiracin se produce al incrementar el volumen de la cmara durante el giro.Cuanto menores sen las tolerancias entre el extremo de la paleta y el anillo y entre estas y las placas de presin, mejor ser el rendimiento de la bomba.De todas formas se ha de mantener una cierta tolerancia en las zonas de rozamiento, por ello es importante que la fuerza que la paleta ejerce sobre el anillo no sea excesiva ya que entonces se rompera la pelcula de lubricante y se producira contacto entre el extremo de la paleta y el anillo.En la figura siguiente vemos la conformacin tpica de una bomba de paletas real de una mquina con la disposicin de todos sus elementos formando un solo cuerpo.

Las lumbreras de entrada y salida del aceite estn situadas en los laterales del rotor y a su lado podemos observar las ranuras que dan presin al fondo de las paletas. Bombas mltiples.

Las bombas mltiples son combinaciones de dos o mas elementos de bombeo colocados en una sola carcasa y accionados por un mismo eje motriz.

Las bombas mltiples pueden estar compuestas por varios cuerpos (grupos de bombeo) iguales en su funcionamiento (engranajes + engranajes, paletas + paletas, pistones + pistones) que a su vez pueden ser de igual o distinta cilindrada. Otra opcin es la combinacin de cuerpos distintos (pistones + paletas, paletas + engranajes, etc.).

Las bombas mltiples construidas a partir de cuerpos independientes suele tener un orificio de aspiracin y uno de salida para cada cuerpo de bomba; en otros modelos la carcasa ha sido diseada especialmente para esta aplicacin y disponen de una aspiracin nica para varias unidades de bombeo. En cualquier caso, el cuerpo que suministra ms caudal o el que absorbe ms potencia siempre ser el mas cercano al motor.

Un ejemplo de aplicacin de una bomba mltiple con distintos cuerpos sera la de accionamiento de una carretilla elevadora, con un cuerpo para el sistema de desplazamiento (accionamiento de las ruedas), otro cuerpo para el circuito de elevacin y posicionamiento de la horquilla y otro para el circuito de direccin.Otra posibilidad es la de unir en serie dos bombas de igual cilindrada en las que la salida de una se directamente a la entrada de la otra. Estas bombas as conectadas ofrecen una presin doble a la normalmente alcanzada por una sola de las unidades de bombeo.Bombas hidrulicas de pistones.

Las bombas de pistones estn formadas por un conjunto de pequeos pistones que van subiendo y bajando de forma alternativa de un modo parecido a los pistones de un motor a partir de un movimiento rotativo del eje.

Estas bombas disponen de varios conjuntos pistn-cilindro de forma que mientras unos pistones estn aspirando liquido, otros lo estn impulsando, consiguiendo as un flujo menos pulsante;siendo ms continuo cuantos ms pistones haya enla bomba; el liquido pasa al interior del cilindro en su carrera de expansin y posteriormente es expulsndolo en su carrera de compresin, produciendo as el caudal.La eficiencia de las bombas de pistoneses, en general, mayor que cualquier otro tipo,venciendo, generalmente, presiones de trabajo ms elevadas que las bombas de engranajes o de paletas.

Las tolerancias muy ajustadas de estas bombas las hacen muy sensibles a la contaminacin del liquido.Segn la disposicin de los pistones con relacin al eje que los acciona, estas bombas pueden clasificarse en tres tipos:Axiales: los pistones son paralelos entre si y tambin paralelos al eje.Radiales: los pistones son perpendiculares al eje, en forma de radios.Transversales: los pistones, perpendiculares al eje, son accionados por bielas.De todos estos tipos los que se utilizan fundamentalmente en maquinaria actualmente son las primeras de pistones axiales, por esta razn nos vamos a referir a este tipo de bombas y descartaremos los dems tipos.

Bombas de pistones axiales.

En este tipo de bombas, los pistones estn colocados dentro de un tambor de cilindros, y se desplazan axialmente, es decir, paralelamente al eje. Los pistones disponen de un "pie" o apoyo que se desliza sobre un plato inclinado. Estas bombas utilizan vlvulas de retencin o placas de distribucin para dirigir el caudal desde la aspiracin hasta la impulsin.

Como el plano de rotacin de los pistones est en ngulo con el plano de la placa de vlvulas, la distancia entre cualquiera de los pistones y la placa de vlvulas cambia constantemente durante la rotacin. Individualmente cada pistn se separa de la placa de vlvulas durante media revolucin, y se acerca a sta durante la otra media revolucin.La placa de vlvulas tiene los orificios dispuestos de forma tal que la aspiracin est abierta a los orificios de los cilindros en la zona de la revolucin en que stos se separan de la placa. Su orificio de salida est encarado a los orificios de los pistones en la zona del giro en la que los pistones se acercan a la placa de vlvulas. As, durante el giro de la bomba los pistones succionan fluido hacia el interior de los cilindros y, posteriormente, lo expulsan por la cmara de salida.Existen dos tipos bsicos, en uno el barrilete y los pistones son estticos, mientras que el plato inclinado es el que gira accionado por el eje, en el otro el plato inclinado se mantiene fijo y son el barrilete y los pistones los que giran accionados por el eje. En ambos casos el principio del funcionamiento es el mismo. Tambin, y en funcin de su construccin, estas bombas se pueden clasificar en dos grupos: en lnea y en ngulo, segn la posicin del eje del barrilete con relacin al del plato.As mismo hay dos formas tpicas de mantener los pistones en contacto con el plato durante la aspiracin, la menos usada consiste en el empleo de muelles situados en el interior del tambor y que fuerzan el pistn contra el plato, otra forma es mediante el empleo de un plato que sujeta los pies de los pistones.

Al igual que ocurra con las bombas de paletas, para evitar el contacto metal-metal entre el pie de los pistones y el plato inclinado, se utiliza un pequea presin hidrulica para mantener una distancia entre ambas piezas. Esta presin se transmite por el interior del pistn hasta la cabeza del mismo, y de all al interior del pie, que est mecanizado para alojar una pequea cantidad de lquido.La carrera de los pistones ser proporcional al ngulo de inclinacin del plato con respecto al barrilete, y la cilindrada de la bomba variar en funcin de esta carrera y del nmero y tamao de los pistones.Actualmente casi todos los modelos de excavadoras nuevas que se venden llevan bombas de este tipo.Mantenimiento de los sistemas hidrulicos.

Generalidades.Los sistemas hidrulicos desempean un papel muy importante en el funcionamiento eficiente de una mquina. Como los sistemas hidrulicos actuales son ms sofisticados que nunca, para que proporcionen la mxima productividad, al menor coste posible, es necesario aplicar tcnicas de gestin y mantenimiento de sistemasHay muchas cosas que se pueden hacer para que un sistema hidrulico siga funcionando eficientemente. En estas pginas vamos a intentar ayudarle a conservarlos en perfecto estado de funcionamiento, mediante: El conocimiento de como la contaminacin afecta al sistema hidrulico.

El conocimiento de como detectar los elementos que pueden afectar a su rendimiento.

La respuesta que hay que dar a estos factores.

Que es un sistema hidrulico?El sistema hidrulico es una red interdependiente cuidadosamente equilibrada. Los componentes hidrulicos estn diseados para trabajar juntos, constituyendo un sistema que proporcione la mxima eficiencia que, finalmente, conducir a que la productividad de la mquina sea mayor y los costes de operacin lo ms bajos

posibles. Sin embargo, hay muchos factores que estn

trabajando todos los das para erosionar esta eficiencia.Este articulo esta diseado para ayudar al propietario o al palista de una mquina a prevenir, detectar y responder a estos factores de erosin.Hay tres elementos a considerar en el mantenimiento de los sistemas hidrulicos:PREVENCIN.Muchos problemas, el primero la contaminacin, pueden ser evitados. Algunos componentes estn expuestos al polvo, arena y agua que, por consiguiente, pueden entrar en elsistema hidrulico y causar un desgaste prematuro. Si puede controlar esta contaminacin podr mantener la eficiencia del sistema y corregir los problemas antes de que se conviertan en costosas averas.DETECCIN.Los sistemas hidrulicos son sistemas cerrados, lo que quiere decir que la mayor parte del desgaste de los componentes se produce internamente. Para detectar el desgaste y otros problemas dentro del sistema no hay ms herramienta disponible que el analizar el aceite peridicamente.INSPECCIN.La observacin diaria de la mquina, la bsqueda de fugas y el control de las prestaciones de la mquina, pueden detectar muchos problemas antes de que obliguen a una parada no programada de la mquina.