Sistemas Hidráulicos. Tipos, Componentes Y Beneficios

Desde el elevador que tomas en el trabajo hasta el camión volquete que ve pasar por la calle, el sistema hidráulico está en todas partes. Quizás te preguntes qué son los sistemas hidráulicos. Este poderoso sistema impulsa algunas de las piezas de maquinaria más pesadas que existen.

El sistema hidráulico puede levantar cargas inmensas y funcionar a altas velocidades. Es popular en sitios de construcción y una variedad de otras aplicaciones. Hay muchos tipos de sistemas hidráulicos con varios componentes, todos los cuales operan bajo los mismos principios de energía.

Las bombas hidráulicas presurizan un líquido y su movimiento se utiliza para impulsar todo, desde grúas hasta automóviles. En este artículo, te mostraremos las características, funcionamiento y beneficios de los sistemas hidráulicos.

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¿Cómo funciona un sistema hidráulico?

Probablemente ya estés familiarizado con algunas de las formas básicas en que funciona un sistema hidráulico y sus componentes. Por tu experiencia, probablemente sepas que los sólidos suelen ser imposibles de aplastar. Si coges un objeto sólido como un bolígrafo o un trozo de madera y tratas de apretarlo, no pasará nada con los materiales. No se comprimirán ni aplastarán.

El líquido funciona de la misma manera, es incompresible, lo que significa que no se aprieta cuando se le aplica presión. Ocupa la misma cantidad de espacio que ocupaba cuando no se le aplicaba presión. Imagina el agua en una jeringa. Si tapas el extremo con el dedo e intentas presionar hacia abajo, ni el agua ni el émbolo irán a ninguna parte.

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¿Qué papel juega la incompresibilidad?

En lo que respecta a los sistemas hidráulicos, la incompresibilidad es un factor importante para que funcionen. En esa misma jeringa, si presionas el émbolo normalmente, liberarás el agua a alta velocidad a través del extremo estrecho, incluso si no aplicaste tanta presión. Cuando presionas el émbolo, aplicas presión al agua, que intentará escapar como pueda, en este caso, a alta presión a través de una salida muy estrecha.

Esta aplicación nos muestra que podemos multiplicar la fuerza, que luego podemos usar para alimentar dispositivos más complejos. En un sistema muy simplificado, se hace un sistema hidráulico con tubería que tiene un peso o pistón en un extremo para comprimir el líquido. A medida que este peso presiona sobre el líquido, lo obliga a salir de una tubería mucho más estrecha en el otro extremo.

¿Qué sucede con el líquido en los sistemas hidráulicos?

El agua no se aplasta y, en cambio, se empuja a través de la tubería y sale por el extremo estrecho a alta velocidad. Este sistema también funciona a la inversa. Si aplicamos una fuerza en el extremo estrecho durante una distancia mayor, generará una fuerza capaz de mover algo mucho más pesado en el otro extremo.

Blaise Pascal, un matemático, físico e inventor francés, estandarizó estas propiedades a mediados del siglo XVII. El principio de Pascal establece que, en un espacio confinado, cualquier cambio en la presión aplicada a un fluido se transmite a través del fluido en todas direcciones. En otras palabras, si aplicas presión a un extremo de un recipiente con agua, se aplicará la misma presión al otro lado.

Este principio es lo que permite que la fuerza se multiplique y afecte a un objeto más grande y pesado. Hay una pequeña compensación con este sistema. Por lo general, puedes aplicar más fuerza o más velocidad a un extremo para ver el resultado opuesto en el otro. Por ejemplo, si presionas hacia abajo en el extremo estrecho con alta velocidad y poca fuerza, aplicarás mucha fuerza pero baja velocidad en el extremo ancho.

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¿Qué papel juega la distancia?

La distancia que puede viajar el extremo estrecho también influirá en la distancia que se moverá el ancho. El cambio de distancia y fuerza es típico en muchos sistemas, y la hidráulica no es una excepción. La multiplicación de la fuerza es un factor influyente en el levantamiento de objetos pesados.

Si el pistón en el lado más ancho es seis veces el tamaño del más pequeño, entonces la fuerza aplicada al fluido desde el pistón más grande será seis veces más poderosa en el extremo más pequeño. Por ejemplo, una fuerza de 100 libras hacia abajo en el extremo más ancho crea una fuerza de 600 libras hacia arriba en el extremo estrecho.

Esta multiplicación de fuerzas es lo que permite que los sistemas hidráulicos sean relativamente pequeños. Son ideales para alimentar máquinas enormes sin ocupar demasiado espacio. La hidráulica también puede ser muy flexible y existen muchos tipos diferentes de sistemas hidráulicos. Puedes mover los fluidos a través de tuberías muy estrechas y serpentear alrededor de otros equipos.

Tienen una variedad de tamaños y formas e incluso pueden ramificarse en múltiples caminos, lo que permite que un pistón alimente a varios otros. Los frenos de los automóviles suelen ser un ejemplo de esto. El pedal de freno activa dos cilindros maestros, cada uno de los cuales alcanza dos pastillas de freno, una para todas las ruedas.

Puedes encontrar sistemas hidráulicos que alimentan una variedad de componentes a través de cilindros, bombas, prensas, elevadores y motores.

Componentes de los sistemas hidráulicos

Los sistemas hidráulicos tienen algunos componentes esenciales para controlar su funcionamiento:

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1. Depósito

Los  sistemas hidráulicos suelen utilizar un depósito para contener el exceso de líquido y accionar el mecanismo. Es importante enfriar el fluido, utilizando paredes metálicas para liberar el calor generado por toda la fricción que encuentras.

Un depósito sin presión también puede permitir que el aire atrapado salga del líquido, lo que ayuda a la eficiencia. Dado que el aire se comprime, puedes desviar el movimiento de los pistones y hacer que el sistema funcione de manera menos eficiente.

2. Fluido

Los fluidos hidráulicos pueden variar, pero generalmente son aceites a base de petróleo, minerales o vegetales. Los fluidos pueden tener diferentes propiedades en función de su aplicación. El líquido de frenos, por ejemplo, debe tener un punto de ebullición alto debido al mecanismo de alta temperatura por el que pasa. Otras características incluyen lubricación, resistencia a la radiación y viscosidad.

Funcionamiento de los equipos pesados

Echemos un vistazo a cómo funciona normalmente la hidráulica en equipos pesados:

• Motor: generalmente funciona con gasolina y permite que funcione el sistema hidráulico. En máquinas grandes, esto debe ser capaz de generar mucha energía.
• Bomba: la bomba de aceite hidráulico envía un flujo de aceite a través de la válvula y al cilindro hidráulico. La eficiencia de la bomba a menudo se mide en galones por minuto y libras por pulgada cuadrada (psi).
• Cilindro: el cilindro recibe el fluido a alta presión de las válvulas y acciona el movimiento.
• Válvula: las válvulas ayudan a transportar el fluido alrededor del sistema controlando cosas como la presión, la dirección y el flujo.

Otras máquinas que utilizan sistemas hidráulicos incluyen vehículos en obras de construcción. Las excavadoras, grúas, topadoras y excavadoras pueden funcionar con sistemas hidráulicos robustos. Una excavadora, por ejemplo, acciona su enorme brazo con cilindros hidráulicos.

El fluido se bombea a los tubos delgados, alargando los arietes y, por extensión, el brazo. La potencia hidráulica detrás de esto se puede utilizar para levantar cargas enormes. Aparte de las máquinas de construcción, los sistemas hidráulicos se utilizan para todo, desde ascensores hasta motores, incluso en los controles de los aviones.

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¿Cuál es la diferencia entre sistemas hidráulicos abiertos y cerrados?

Los sistemas hidráulicos abiertos y cerrados se refieren a diferentes formas de reducir la presión a la bomba. Hacer esto puede ayudar a reducir el desgaste.

Sistemas abiertos

En un sistema abierto, la bomba siempre está funcionando, moviendo aceite a través de las tuberías sin acumular presión. Tanto la entrada a la bomba como la válvula de retorno están conectadas a un depósito hidráulico. Estos también se denominan sistemas de "centro abierto", debido a la vía central abierta de la válvula de control cuando está neutra. En este caso, el fluido hidráulico regresa al depósito.

El fluido procedente de la bomba va al dispositivo y luego vuelve al depósito. También puede haber una válvula de alivio en el circuito para dirigir cualquier exceso de líquido al depósito. Los filtros suelen estar colocados para mantener limpio el líquido. Los sistemas abiertos tienden a ser mejores para aplicaciones de baja presión.

También tienden a ser más económicos y fáciles de mantener. Una precaución es que pueden crear un exceso de calor en el sistema si la presión excede los ajustes de la válvula. Otro lugar para agregar calor es el depósito, que debe ser lo suficientemente grande para enfriar el fluido que lo atraviesa. Los sistemas abiertos también pueden usar múltiples bombas para suministrar energía a diferentes sistemas, como la dirección o el control.

Sistemas cerrados

Un sistema cerrado conecta la válvula de retorno directamente a la entrada de la bomba hidráulica. Utiliza una sola bomba central para mover el fluido en un circuito continuo. Una válvula también bloquea el aceite de la bomba, en lugar de enviarlo a un acumulador donde permanece presurizado.

El aceite permanece bajo presión pero no se mueve a menos que se active. Una bomba de carga suministra aceite filtrado y frío al lado de baja presión. Este paso mantiene la presión dentro del circuito. Un sistema cerrado se usa a menudo en aplicaciones móviles con transmisiones hidrostáticas, y usa una bomba para alimentar múltiples sistemas.

Estos pueden tener depósitos más pequeños porque solo necesitan tener suficiente líquido para la bomba de carga, que es relativamente pequeña. Un sistema abierto puede manejar más aplicaciones de alta presión. El sistema cerrado ofrece un poco más de flexibilidad que un sistema abierto, pero eso también viene con un precio un poco más alto y una reparación más compleja.

Los sistemas cerrados pueden funcionar con menos fluido en líneas hidráulicas más pequeñas, y las válvulas se pueden usar para invertir la dirección del flujo. Incluso puedes convertir un sistema abierto en un sistema cerrado reemplazando algunos de los componentes y agregando espacio para que el aceite vaya después del viaje de regreso.

Tipos de bombas hidráulicas

Hay  varios tipos diferentes  de bombas hidráulicas. Estos pueden variar significativamente en la forma en que mueven el fluido y en cuánto se desplazan. Casi todas las bombas hidráulicas son bombas de  desplazamiento positivo, lo que significa que suministran una cantidad precisa de fluido.

Se pueden usar en aplicaciones de alta potencia de  más de 10,000 psi. Las bombas de desplazamiento no positivo dependen de la presión para la cantidad de fluido que mueven, mientras que las bombas de desplazamiento positivo no. Las bombas no positivas son más comunes en aplicaciones neumáticas y de baja presión. Incluyen bombas centrífugas y axiales.

Bombas de desplazamiento positivo

Las bombas de desplazamiento positivo pueden tener un desplazamiento fijo o variable. La mayoría de las bombas caen bajo desplazamiento fijo.

• En desplazamiento fijo, la bomba proporciona la misma cantidad de fluido en cada ciclo de la bomba.
• En desplazamiento variable, la bomba puede proporcionar diferentes cantidades de fluido según la velocidad a la que se hace funcionar o las propiedades físicas de la bomba.

Bomba de engranajes

Una   bomba de engranajes  es económica y más tolerante a la contaminación de fluidos, lo que la hace adecuada para entornos difíciles. Sin embargo, estas bombas pueden ser menos eficientes y desgastarse más rápidamente. Pueden ser de los siguientes tipos:

1. Bombas de engranajes externos

Utilizan dos engranajes de malla apretada dentro de una carcasa. Uno es el engranaje de conducción o motorizado, mientras que el otro es impulsado o de flujo libre.

El fluido queda atrapado en el espacio entre los engranajes y se hace girar a través de la carcasa.

Dado que no puede moverse hacia atrás, es forzado a través de la bomba de salida.

2. Bomba de engranajes internos

El diseño de engranajes internos coloca un engranaje interno, posiblemente con un espaciador en forma de media luna, dentro de un engranaje de rotor externo. El fluido se mueve a través de la excentricidad, la desviación del engranaje de la circularidad, entre los engranajes.

El engranaje interno, con menos dientes, hace girar el engranaje externo, y el espaciador se coloca entre ellos para crear un sello. El fluido se aspira, se mueve a través de los engranajes, se sella y se descarga.

Bombas de paletas

Estas pueden ser desequilibradas o equilibradas, y de desplazamiento fijo o variable. Son silenciosas y funcionan a presiones inferiores a 4000 psi.

1. Bomba de paletas desequilibradas

Esta bomba de desplazamiento fijo tiene un rotor impulsado y paletas que se deslizan hacia afuera en ranuras radiales. El nivel de excentricidad del rotor determina el nivel de desplazamiento.

A medida que gira, el espacio entre las paletas aumenta, creando un vacío para aspirar el fluido. El fluido atrapado se mueve alrededor del sistema a través de las paletas giratorias y es expulsado a medida que el espacio entre ellas disminuye.

2. Bomba de paletas balanceadas

La bomba de paletas balanceadas, también de desplazamiento fijo, mueve el rotor a través de un anillo de leva elíptico. Utiliza dos entradas y salidas en cada revolución.

3. Bomba de paletas de desplazamiento variable

El desplazamiento en este tipo de bomba puede cambiar a través de la excentricidad entre el rotor y la carcasa. El anillo de la carcasa exterior se puede mover.

Bombas de pistón

Nuestra última categoría de bombas son las bombas de  pistón, ideales para aplicaciones de alta potencia.

1. Bombas de pistones axiales en línea

Las bombas  en línea alinean el centro del bloque de cilindros con el centro del eje de transmisión. El ángulo de la placa oscilante / de leva ayuda a determinar la cantidad de desplazamiento.

La entrada y la salida están ubicadas en la placa de la válvula, que se conecta a cada cilindro alternativamente. A medida que el pistón sube más allá del puerto de entrada, extrae líquido del depósito. De manera similar, empujará el líquido fuera del puerto de salida a medida que lo pase.

2. Bombas de pistones axiales de eje  acodado

Las bombas de eje acodado alinean el centro del bloque de cilindros en ángulo con el centro del eje de transmisión. Este diseño funciona de manera similar a la bomba axial en línea.

3. Bombas de pistones radiales

Una bomba de pistones radiales utiliza siete o nueve cilindros radiales, junto con un anillo de reacción, pivote y eje de transmisión. Los pistones se colocan radialmente alrededor del eje de transmisión, y los puertos de entrada y salida están en el pivote, un tipo de bisagra.

Sistemas hidráulicos en barcos

Además de los vehículos y la maquinaria industrial, se pueden encontrar sistemas hidráulicos en los barcos. Los sistemas hidráulicos de los barcos se utilizan en diversas aplicaciones. Por ejemplo, los sistemas utilizados para los sistemas de carga facilitan el transporte de materiales pesados y la realización de otras operaciones de carga, y consumen menos tiempo.

La sala de máquinas de un barco también incluye sistemas hidráulicos como un sistema de control automático hidráulico. Estos ayudan a regular las posiciones de las válvulas, así como la presión del aire neumático en la sala de máquinas.

Además de eso, los sistemas hidráulicos en los estabilizadores de un barco evitan que el mismo se mueva y aseguran un desempeño suave en aguas abiertas. Además, muchos barcos industriales incluyen maquinaria y herramientas como grúas de cubierta que funcionan con sistemas hidráulicos.

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Pensamientos finales

Ahora que sabes qué es la hidráulica, puedes ver que la hidráulica tiene vastas aplicaciones y se puede usar en todo tipo de componentes diferentes de la maquinaria que opera en la construcción, el transporte y más. Incluso puedes pensar en algunos ejemplos de sistemas hidráulicos propios ahora.

El poder del agua se ha utilizado durante siglos y ahora, con la ayuda de válvulas, pistones y cilindros, el sistema hidráulico puede funcionar en una variedad de formatos diferentes. Abierto y cerrado, fijo o variable, positivo y no positivo: todos estos pueden mover pesos masivos y aprovechar la ingeniería moderna. Si tienes algún tipo de negocio, es posible que puedas poner la hidráulica a trabajar para ti.