3. Componentes de los Sistemas Hidráulicos

3.1 Introducción

Los equipos móviles de construcción se diseñan usando diferentes componentes hidráulicos (tanques, tuberías, fluidos, acondicionadores, bombas y motores, válvulas y cilindros). Los mismos componentes usados en diferentes partes de un circuito pueden realizar funciones diversas. Aunque estos componentes pueden parecer iguales, generalmente tienen diferentes nombres. La capacidad de identificar los componentes y describir su función y operación le permitirá al técnico de servicio convertir circuitos complejos en circuitos simples que pueden entenderse con facilidad.

Los códigos de colores de aceite usados en esta unidad son:

• Verde Aceite del tanque o a conectado al tanque.
• Azul Aceite bloqueado.
• Rojo Aceite de presión alta o de la bomba.
• Rojo y bandas blancas.
• Aceite de presión alta pero de menor presión que el rojo.
• Naranja Aceite de presión piloto.

3.2 Objetivos

Al terminar esta unidad, el estudiante podrá:

1. Describir el uso de los principios de hidráulica básica en la operación de los componentes de un sistema hidráulico.
2. Describir la función de los tanques, fluidos, acondicionadores, bombas y motores, válvulas y cilindros hidráulicos.
3. Identificar los diferentes tipos de tanques, bombas y motores, fluidos, acondicionadores, válvulas y cilindros hidráulicos.
4. Identificar los símbolos ISO del tanque, los acumuladores, la bomba o el motor, válvulas y cilindros hidráulicos.
5. Describir cómo se construyen las mangueras para obtener diferentes clasificaciones de presión.

3.3 Mangueras y Depósitos de Fluidos

3.3.1 Introducción

En el diseño de máquinas y equipos para construcción son de gran importancia el tipo, el tamaño y la ubicación del tanque de aceite hidráulico. Una vez que la máquina o el equipo está en operación, el tanque hidráulico no es más que un lugar de almacenamiento del aceite hidráulico, un dispositivo para enfriar el aceite y un separador para quitar el aire del aceite. En esta unidad se verán algunas de las principales características del tanque hidráulico.

3.3.2 Objetivos

Al terminar esta lección, el estudiante podrá:

1. Identificar los componentes principales del tanque hidráulico y describir su función.
2. Describir las características de los tanques hidráulicos presurizados y no presurizados.
3. Describir el uso de los acumuladores en los sistemas hidráulicos.
4. Describir cómo se construyen las mangueras para obtener diferentes clasificaciones de presión.

Fig. 3.1.1 Tanque Hidráulico

3.3.3 Tanque Hidráulico (Componentes)

La principal función del tanque hidráulico es almacenar aceite. El tanque también debe eliminar calor y aire al aceite. Los tanques deben tener resistencia y capacidad adecuadas, y no dejar entrar la suciedad externa. Los tanques hidráulicos generalmente son herméticos.

3.3.3.1 Tapa de llenado

Mantiene los contaminantes fuera de la abertura que se usa para llenar y añadir aceite al tanque y sella los tanques presurizados.

3.3.3.2 Mirilla

Permite revisar el nivel de aceite del tanque hidráulico. El nivel de aceite debe revisarse cuando el aceite está frío. Si el aceite está en un nivel a mitad de la mirilla, indica que el nivel es correcto.

3.3.3.3 Tuberías de suministro y de retorno

La tubería de suministro hace que el aceite fluya del tanque al sistema. La tubería de retorno hace que el aceite fluya del sistema al tanque.

3.3.3.4 Drenaje

Ubicado en el punto más bajo del tanque, el drenaje permite sacar el aceite en la operación de cambio de aceite. El drenaje también permite retirar del aceite contaminante como el agua y los sedimentos.

Fig. 3.1.2 Tanque Presurizado

3.3.3.5 Tanque presurizado

Los dos tipos principales de tanques hidráulicos son: tanque presurizado y tanque no presurizado.

El tanque presurizado está completamente sellado. La presión atmosférica no afecta la presión del tanque. Sin embargo, a medida que el aceite fluye por el sistema, absorbe calor y se expande. La expansión del aceite comprime el aire del tanque. El aire comprimido obliga que el aceite fluya del tanque al sistema. La válvula de alivio de vacío tiene dos propósitos: evitar el vacío y limitar la presión máxima del tanque.

La válvula de alivio de vacío evita que se forme vacío en el tanque al abrirse y hace que entre aire al tanque cuando la presión del tanque cae a 3,45 kPa (0,5 lb/pulg2). Cuando la presión del tanque alcanza el ajuste de presión de la válvula de alivio de vacío, la válvula se abre y descarga el aire atrapado a la atmósfera. La válvula de alivio de vacío puede ajustarse a presiones de entre 70 kPa (10 lb/pulg2) y 207 kPa (30 lb/pulg2).

3.3.3.6 Otros componentes del taque hidráulico

• Rejilla de llenado: Evita que entren contaminantes grandes al tanque cuando se quita la tapa de llenado.
• Tubo de llenado: Permite llenar el tanque al nivel correcto y evita el llenado en exceso.
• Deflectores: Evitan que el aceite de retorno fluya directamente a la salida del tanque, y dan tiempo para que las burbujas en el aceite de retorno lleguen a la superficie. También evitan que el aceite salpique, lo que reduce la formación de espuma en el aceite.
• Drenaje ecológico: Se usa para evitar derrames accidentales de aceite cuando se retiran agua y sedimento del tanque.
• Rejilla de retorno: Evita que entren partículas grandes al tanque, aunque no realiza un filtrado fino.

Fig. 3.1.3 Tanque no Presurizado

3.3.3.7 Tanque no presurizado

El tanque no presurizado tiene un respiradero que lo diferencia del tanque presurizado. El respiradero hace que el aire entre y salga libremente. La presión atmosférica que actúa en la superficie del aceite obliga al aceite a fluir del tanque al sistema. El respiradero tiene una rejilla que impide que la suciedad entre al tanque.

Fig. 3.1.4 Símbolos ISO del Tanque Hidráulico

3.3.3.8 Símbolos ISO del tanque hidráulico

La figura 3.1.4 indica la representación de los símbolos ISO del tanque hidráulico presurizado y no presurizado. El símbolo ISO del tanque hidráulico no presurizado es simplemente una caja o rectángulo abierto en la parte superior. El símbolo ISO del tanque presurizado se representa como una caja o rectángulo completamente cerrado. A los símbolos de los tanques hidráulicos se añaden los esquemas de la tubería hidráulica para una mejor representación de los símbolos.

Fig. 3.1.5 Acumuladores de Carga de Gas

3.3.4 Acumulador

El acumulador de carga de gas es el tipo más comúnmente usado en los sistemas hidráulicos del implemento del equipo móvil. Hay dos tipos de acumuladores de carga de gas (figura 3.1.5): el acumulador de cámara de aceite (mostrado a la izquierda de la figura) y el acumulador de pistón (mostrado a la derecha de la figura). Ambos acumuladores separan el gas del aceite para mantener el contenido de gas. El sello del pistón y el material de la cámara de aceite mantienen separados el gas y el aceite.

Cuando la presión del aceite es mayor que la del gas, el volumen de gas será más pequeño, la cual permite que vaya más aceite al acumulador. El volumen de gas continúa disminuyendo hasta que el gas se comprime hasta el punto en que la presión del aceite y del gas es igual. Cuando la presión del gas es mayor que la presión del aceite, el volumen de gas se expandirá, empujando el aceite fuera del acumulador al sistema hidráulico, hasta que nuevamente se igualan la presión del aceite y del gas.

Los acumuladores de cámara de aceite usados en el equipo móvil varían en tamaño, desde 0,5 L (0,13 galones) hasta 57 L (15 galones). Los acumuladores de pistón usados en el equipo móvil varían en tamaño, desde 1,06 L (0,25 galones) hasta 43 L (11 galones).

Fig. 3.1.6 Varios Tipos de Montaje del Acumulador

3.3.4.1 Usos de los acumuladores

La capacidad combinada de mantener una presión y un volumen de aceite permite que los acumuladores se usen en los sistemas hidráulicos. Algunos de sus usos incluyen:

1. Permitir el uso de bombas más pequeñas – El almacenamiento de un volumen de aceite a una presión específica compensa el aceite requerido por el sistema piloto o de dirección cuando la demanda excede el flujo de la bomba.
2. Proporcionar frenado y dirección de emergencia. – El volumen de aceite a una presión específica puede dar la suficiente entrada de presión al sistema de frenos o de dirección para controlar la máquina por un corto tiempo, en caso de que la bomba o el motor fallen.
3. Mantener la presión constante – La capacidad del gas de expandirse y contraerse para cambiar el volumen con cambios mínimos de presión se usa en los sistemas piloto para mantener los controles firmes aun con variaciones en el suministro del sistema.
4. Absorber las cargas de choque – Los acumuladores se usan en equipo móvil para mejorar el desplazamiento. Esto se realiza cuando el acumulador absorbe la actividad del aceite en el sistema en terreno irregular que, de otro modo, crearían crestas de presión y saltos de la máquina.

Ejemplos de este uso se presentan en los sistemas de enganche amortiguado de la traílla y en los sistemas de control de desplazamiento del cargador de ruedas.

Fig. 3.1.7 Falla de la Cámara del Acumulador

3.3.4.2 Fallas del acumulador

La mayoría de las fallas de los acumuladores se debe a una de las siguientes razones:

1. Instalación incorrecta – Un tamaño o diseño incorrecto del acumulador instalado.
2. Sobrecarga o baja carga – La precarga debe ser de al menos 20% o mayor que la presión de operación máxima del sistema hidráulico.
3. Falla del sello del pistón – Un cilindro demasiado liso o demasiado áspero causará una falla prematura al sello del pistón. La contaminación puede también causar pegado del sello del pistón y rayado de la pared del cilindro.
4. Falla de la válvula de carga – El gas escapará del acumulador y hará que 100% del llenado del acumulador sea de aceite.
5. Fatiga/agrietamiento del material – Temperaturas menores del límite de diseño, normalmente -20°F a -40°F, harán que la cámara de aceite o el sello se vuelva quebradizo y se agriete.

Precarga de gas menor que 20% de la presión de operación máxima del sistema causará fallas por fatiga debido a doblamiento excesivo de la cámara (vea la figura 3.1.7).

Fig. 3.1.8 Diseño de la Manguera

3.3.5 Mangueras hidráulicas

Las mangueras hidráulicas se fabrican de varias capas de material.

Las diversas capas mostradas en la figura 3.1.8 son:

1. Tubo interior de polímero: Sella el aceite y no permite que escape.
2. Capa de refuerzo: Puede ser de fibra para presión baja o de alambre para presión alta, lo que soporta el tubo interior. Pueden usarse de una a seis capas.
3. Capa de fricción de polímero: Separa las capas de refuerzo para evitar la fricción entre ellas y por tanto el desgaste.
4. Capa externa: Protege la manguera del desgaste y de otros componentes.

Fig. 3.1.9 Tipos de Mangueras

3.3.5.1 Clasificaciones de presión de las mangueras

En el equipo móvil se usa una variedad de mangueras para presiones baja, mediana y alta, dependiendo de los requerimientos del sistema.

Las diferentes mangueras mostradas en la figura 3.1.9 son:

1. XT-3 (Cuatro espirales) – Presión alta: 17.500 – 28.000 kPa (2.500 – 4.000 lb/pulg2)
2. XT-5 (De cuatro a seis espirales) – Presión alta: 41.400 kPa (6.000 lb/pulg2)
3. XT-6 (Seis espirales) – Presión alta: 41.400 kPa (6.000 lb/pulg2)
4. 716 (Una trenza de alambre) – Presión mediana/baja: 4.300 – 19.000 kPa (625 – 2.750 lb/pulg2)
5. 844 (De succión hidráulica) – Presión baja: 690 – 2.070 kPa (100 – 300 lb/pulg2)
6. 556 (Tela y una trenza de alambre) – Presión mediana/baja: 1.725 – 10.350 kPa (500 – 3.000 lb/pulg2)
7. 1130 (Motor/freno de aire) – Presión mediana/baja: 1.725 – 10.350 kPa (1.250 – 3.000 lb/pulg2)
8. 1028 (Termoplástica) – Presión mediana: 8.620 – 20.7000 kPa (2.250 – 5.000 lb/pulg2)
9. 294 (Dos trenzas de alambre) – Presión mediana/alta: 15.500 – 34.500 kPa (2.250 – 5.000 lb/pulg2)

Mientras menor sea el diámetro de la manguera, mayor será la clasificación de presión dentro de ese tipo de manguera. La gama de diámetro interno de las mangueras hidráulicas es de 0,188 pulgadas (3/16 de pulgada) a 2,000 pulgadas (2 pulgadas).

Fig. 3.1.10 Acoplamientos de Mangueras

3.3.5.2 Tipos de acoplamientos de mangueras

Los acoplamientos de mangueras se usan en ambos extremos de la longitud de la manguera con el fin de conectar la manguera a los componentes del sistema hidráulico. Se usan tres métodos para unir los acoplamientos a los extremos de la manguera. Estos tres métodos, mostrados en la figura 3.1.10, son:

1. Rebordeado (arriba) – Permanente, no reutilizable, con bajo riesgo de falla, que trabaja bien en todas las aplicaciones de presión.
2. De tornillo (derecha abajo) – Reutilizable, puede instalarse en las mangueras en campo usando herramientas manuales, útil en aplicaciones de presiones mediana y baja.
3. De collar – Reutilizable, diseñado para aplicaciones de manguera de presión alta, debe armarse y desarmarse usando una prensa de manguera.

El extremo del acoplamiento de la manguera que no está directamente unido a la manguera unirá otro componente del sistema hidráulico. Se usan dos tipos generales de extremos de acoplamientos: conector de brida y conector roscado. Hay dos espesores para los extremos del conector de brida para algunas mangueras de tamaño específico, determinado por la presión del sistema. Hay varios extremos de conectores roscados, determinados por las conexiones a las cuales están conectados. Los conectores roscados se restringen generalmente a mangueras de 1,25 pulgadas de diámetro o más pequeñas.