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Área de Mecánica de Fluidos.

OLEOHIDRÁULICA: FLUIDOS HIDRÁULICOS

Área de Mecánica de Fluidos

Escuela Politécnica Superior de Ingeniería de Gijón 5º Curso de Ingeniería Industrial

OLEOHIDRÁULICA Y NEUMÁTICA http://web.uniovi.es/Areas/Mecanica.Fluidos/

OLEOHIDRÁULICA: FLUIDOS HIDRÁULICOS 1. INTRODUCCIÓN. 2. FUNCIONES DE LOS FLUIDOS EN SISTEMAS OLEOHIDRÁULICOS. 3. PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS HIDRÁULICOS. 4. TIPOS DE FLUIDOS HIDRÁULICOS. 5. FILTRACIÓN.

Flujo

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1. INTRODUCCIÓN. En principio, cualquier líquido es apropiado para transmitir energía. No obstante, el líquido utilizado en un sistema hidráulico tiene que cumplir con ciertas condiciones. El agua presenta ciertas VENTAJAS: poca contaminación en caso de fugas, ningún riesgo de incendio, facilidad de manejo, barato, pero tiene bastantes INCONVENIENTES: no lubrica adecuadamente, corroe materiales férreos, su viscosidad es baja y dificulta la estanqueidad, su punto de congelación es alto y su punto de ebullición es bajo. Por tanto, hay que recurrir a otro tipo de fluido.

2. FUNCIONES DE LOS FLUIDOS EN SISTEMAS OLEOHIDRÁULICOS. Las principales funciones de los fluidos utilizados en circuitos oleohidráulicos son: • Capacidad de transmisión de potencia. En los circuitos hidráulicos, el fluido se emplea para transmitir potencia; esta transmisión se basa en el Principio de Pascal, por el que la presión ejercida en un punto del fluido se transmite a cualquier punto del mismo. • Lubricación entre las partes móviles y las fijas. El fluido debe reducir la fricción y el desgaste entre los diferentes elementos del circuito. • Disipación (refrigeración) del calor generado en el circuito. En los circuitos hidráulicos se genera calor debido a la fricción entre partes fijas y móviles y a la fricción del aceite en los conductos y en los diferentes elementos. Es habitual hacer circular el aceite a través de intercambiadores para mantener una temperatura adecuada de trabajo del mismo. • Protección frente a la corrosión. El fluido deben impedir el ataque químico del agua de condensación y de ciertos aditivos del mismo sobre los elementos del circuito, y cuya proporción va aumentando a medida que el fluido se va oxidando. • Amortiguación de vibraciones causadas por transitorios de presión.

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3. PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS HIDRÁULICOS. Densidad: conviene que sea lo más baja posible. Viscosidad: indica la resistencia del fluido a circular por los elementos del circuito. Su valor surge de un compromiso entre diversas consideraciones. •

Viscosidad demasiado pequeña: - Insuficiente lubricación de los elementos móviles, con riesgo de "gripaje" en ajustes muy finos. (Bombas, distribuidores y motores). - Baja estanqueidad entre piezas en movimiento, con pérdida de rendimiento, aumento de fugas y limitación de presión de trabajo.

•

Viscosidad demasiado elevada: - Aumento de las pérdidas de carga, con el consiguiente incremento del consumo y la temperatura. - Dificultad de arranque después de paradas prolongadas, con riesgo de cavitación de las bombas y funcionamiento irregular de los actuadores. Posibilidad de lubricación insuficiente en algunas zonas. - Aumento de riesgo de cavitación en el funcionamiento debido a la menor separación del aire del líquido.

Unidades de la viscosidad: Las dimensiones de la viscosidad dinámica o absoluta son: [µ] = ML-1T-1; por tanto, en el S.I. la unidad es kg/(m s) o Pa s. En el sistema CGS, la unidad de la viscosidad absoluta es g/(cm s), que se denomina poise (P). Debido a que la viscosidad del agua a 1 atm y 20ºC es del orden de 0.01 P, es decir un centipoise, es usual este término como unidad de viscosidad absoluta. El cociente entre la viscosidad absoluta y la densidad, se denomina viscosidad cinemática. Las dimensiones de la viscosidad cinemática son: [ν] = L2T-1, con lo que en el SI la unidad es: m2/s. En el sistema CGS la unidad es el cm2/s que se denomina stokes (St). Debido a que la viscosidad cinemática del agua a 1 atm y 20ºC es del orden de 0.01 St, es decir un centistokes, es usual este término como unidad de viscosidad cinemática. La relación de unidades de viscosidad en los sistemas de unidades SI y CGS es: -Viscosidad absoluta o dinámica (µ): -Viscosidad cinemática (ν):

1 P = 0.1 Pa s 1 St = 10-4 m2/s

1cP = 10-3 Pa s 1cSt = 10-6 m2/s

La viscosidad de un líquido es función de la temperatura (en menor medida, de la presión). Existen diferentes expresiones para expresar dicha relación, como la siguiente:

⎛ µ ln⎜⎜ ⎝ µ0

⎛T⎞ ⎛T⎞ ⎞ ⎟⎟ = a + b⎜⎜ ⎟⎟ + c⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ T0 ⎠ ⎝ T0 ⎠ ⎠

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En un ábaco ASTM en el que se representa la viscosidad frente a la temperatura (figura 1) la ecuación es una línea recta, si bien para los fluidos cargados de aditivos se pierde la linealidad.

Figura 1. Variación de la viscosidad de varios aceites con la temperatura. En esta figura, además de expresar la viscosidad cinemática en centistokes, se han utilizado varias escalas: • • •

Segundos Redwood (R”). Segundos Saybolt (S”). Grados Engler (Eº).

que están relacionadas con ensayos normalizados consistentes en la medida del tiempo del descarga del fluido de un determinado recipiente.

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Índice de viscosidad: caracteriza la sensibilidad de la variación de la viscosidad frente a la variación de temperatura. Es una escala arbitraria, originalmente de 0 a 100 (muy alta variación y muy baja variación). Actualmente se consigue un rango de -50 a 400.

En la figura 2 se muestran escalas equivalentes, también utilizadas en la práctica para fluidos con índice de viscosidad igual a 95.

Figura 2. Comparación de distintas escalas de viscosidad a distintas temperaturas para aceites con índice de viscosidad 95.

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En la Tabla 1 se muestra la variación de la viscosidad cinemática en función de la temperatura para un fluido de índice de viscosidad 0 y dos fluidos de índice de viscosidad 100.

Índice de viscosidad

Fluido

a 100 ºC

a 0º C

Factor de multiplicación de la viscosidad

9 9 4

6000 1000 150

667 111 38

Viscosidad cinemática [cSt]

0 100 100

A B C

Tabla 1. Variación de la viscosidad cinemática y del índice de viscosidad en función de la temperatura. Si el sistema oleohidráulico está sometido a bajas temperaturas ambientales, se debe buscar un fluido de elevado índice de viscosidad con baja viscosidad a 100oC. La viscosidad depende también de la presión, según se muestra en la figura 3: 3.0

Factor de multiplicación de la viscosidad

2.5 2.0

A B

1.5 1.0 0

10

20

Presión [MPa] 30

Figura 3. Variación de la viscosidad en función de la presión para un fluido de bajo índice de viscosidad (A) y elevado índice de viscosidad (B). Untuosidad y capacidad de desgaste: Representa la capacidad del fluido para adherirse a las superficies con objeto de formar una película que evite el contacto de metal a metal a fin de reducir el frotamiento. Adquiere gran importancia cuando se tienen holguras extremadamente pequeñas. Desenmulsibilidad: Representa la capacidad del fluido a separarse del agua que se le pueda introducir involuntariamente. Demasiada agua en el fluido facilita la acumulación de contaminantes que pueden originar el agarrotamiento de las válvulas y el desgaste. Resistencia a la formación de espumas: La presencia de aire provoca la formación de espumas que dan lugar a funcionamiento irregular de los actuadores.

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Resistencia a la oxidación: La durabilidad de un fluido depende de la resistencia a la oxidación provocada por el oxígeno del aire en combinación con las elevadas temperaturas, el agua y algunos metales. Capacidad anticorrosión y antioxidante: Relacionadas con la presencia de materiales metálicos y con el comportamiento del fluido en contacto con las mismas. Punto de fluencia: Determina la más baja temperatura a la cual el fluido puede moverse. Resistencia a la inflamación: El punto de inflamación es la temperatura mínima a la cual los vapores emanados por el fluido se inflaman espontáneamente en presencia de una llama. El punto de inflamación (superior temperatura) es la mínima a la cual la combustión se mantiene. Compatibilidad con los materiales: (Tabla 3)

4. TIPOS DE FLUIDOS HIDRÁULICOS. Se clasifican en 3 categorías (Tabla 2): 1) Fluidos de origen petrolífero: Hidrocarburos con aditivos químicos (0.5% a 2%) obtenidos a partir del petróleo refinado (aceites minerales) o por procedimientos distintos (aceites sintéticos). Constituyen el 80-90% de los fluidos empleados, poseen buenas prestaciones, precisan un mantenimiento bajo y su coste es bajo. 2) Fluidos acuosos: Soluciones acuosas de poliglicoles, emulsiones de agua en aceite mineral y emulsiones de aceite en agua. Son resistentes a la inflamación. 3) Fluidos no acuosos: Compuestos sintéticos orgánicos (esterfosfatos e hidrocarburos halogenados). Son más caros pero su resistencia a la inflamación es alta. Según DIN 51524 y 51525, los aceites se denominan con la letra H a la que se le añaden otras letras, que se refieren a los aditivos. En ocasiones, a las siglas se les agrega un número que indica el coeficiente de viscosidad según DIN 51517 (clasificación de viscosidad según ISO). Fluidos difícilmente inflamables Fluidos de origen petrolífero Fluidos acuosos HH: aceite mineral sin aditivos HL: aceite mineral con propiedades antioxidantes y anticorrosivas HM: aceite tipo HL con aditivo antidesgaste HV: aceite tipo HM con aditivo que mejora el índice de viscosidad

HFA: emulsión de aceite en agua (agua 80-98%) HFB: emulsión de agua en aceite (agua 40%) HFC: solución de poliglicoles (agua 3555%) HFD: líquidos anhidridos (agua 0-0.1%)

Tabla 2. Tipos de fluidos hidráulicos.

Fluidos no acuosos HFD-R: aceite a base de esterfosfatos HFD-S: aceite a base de hidrocarburos halogenados HFD-T: aceite a base de mezcla de los anteriores

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En la tabla 3 se muestra una comparativa de distintas propiedades para los distintos fluidos.

Aceite mineral

Agua-glicol

Emulsión agua-aceite

Ester-fosfatos

Esteres orgánicos

Buna S y N, Vitón, butilo, Buna S y N, Vitón, nitrilo, nitrilo, neopreno, Neopreno, buna nitrilo, neopreno, silicona, polisulfido, butilo-vitón, N, vitón, silicona vitón, polisulfido P.T.F.E., nylon neopreno, buna N goma natural Neopreno, Goma natural, Goma natural, Polisulfido nitrilo, buna N y Butilo butilo, buna N butilo S, polisulfido

Juntas satisfactorias Juntas no satisfactorias Efectos corrosivos sobre el metal Lubricación

Hidrocarburos clorados Vitón, silicona, teflón Nitrilo, buna N y S, neopreno, butilo, polisulfido

Ninguno

Cinc, Cadmio, Magnesio

Ninguno

Ninguno

Ninguno

Cobre y aleaciones

Excelente

Buena

Buena

Excelente

Buena

No es tóxico

No es tóxica

No es tóxica

No son tóxicos

Pueden ser tóxicos

Ininflamabilidad Temperatura máxima de utilización [ºC] Coste comparativo

Pobre

Buena

Buena

Excelente Únicamente los vapores Excelente

Excelente

Excelente

90

50

50

90 a 140

65 a 260

1

2a4

1.5 a 2

4 a 12

4 a 12

Densidad relativa

1

1.25

1.2

1.3

Toxicidad

1.06

1.65

Tabla 3. Comparación de las propiedades de distintos fluidos oleohidráulicos.

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5. FILTRACIÓN. El fluido sometido a presión puede contener suciedad por las siguientes razones: - Suciedad inicial durante la puesta en marcha: virutas de metal, arena de fundición, polvo, perlas de soldadura, escoria, pintura, suciedad diversa, medios de obturación, suministro de líquidos con partículas de suciedad. - Suciedad producida durante el funcionamiento a causa de la abrasión, penetración a través de las juntas y del sistema de aireación del depósito, rellenado o cambio del líquido, cambio de componentes del sistema, cambio de tuberías. La contaminación del fluido puede resultar catastrófica si alcanza a las partes más sensibles de un circuito como las bombas, los motores y las válvulas, pudiendo producir abrasión de elementos y bloqueo de secciones de paso de fluido. Para evitar estos y otros problemas, como el ruido en los conductos del circuito, se intercalan filtros que aseguran la correcta limpieza del fluido que circula. Su colocación dentro del circuito condiciona el tamaño de las partículas a filtrar y la pérdida de carga que inevitablemente se produce en dichos equipos. El filtrado tiene que ser lo suficientemente fino y, además, deberá poderse controlar la eficiencia del filtro mediante un indicador. Las partículas de suciedad se miden en µm y en concordancia con ello se indica también el grado de filtración. Grado de filtración en µm

Tipo de sistema hidráulico

1-2

Para impurezas finas en sistemas altamente sensibles con gran fiabilidad; preferentemente en aviación y laboratorios

2-5

Para sistemas de mando y control sensibles y de alta presión; con frecuencia en la aviación, robots industriales y máquinas herramientas.

5-10

Para sistemas hidráulicos de alta calidad y fiabilidad con previsible larga vida útil de sus componentes

10-20

Para hidráulica general y sistemas hidráulicos móviles; presiones medianas y tamaños intermedios.

15-25

Para sistemas de baja presión en la industria pesada o para sistemas de vida útil limitada.

20-40

Para sistemas de baja presión con holguras grandes. Tabla 4. Grado de filtración y aplicaciones.

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Tipos de filtros:

De superficie: poseen una sola capa filtrante, con poros de tamaño y distribución regular: tejidos metálicos, membranas de celulosa, materiales cerámicos porosos. De profundidad: el fluido ha de atravesar un cierto espesor de material filtrante contenido en una malla metálica que le da rigidez e impide su arrastre por el aceite: fibras inertes cohesionadas con resinas epoxi, papel, fieltro, polvo de cenizas.

Figura 4. Filtro de superficie.

Figura 5. Filtro de profundidad.

Cada tipo de filtro retiene las partículas de forma diferente:

Figura 6. Porcentaje de partículas retenidas por los filtros de superficie y profundidad.

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Constitución de los filtros:

- Recipiente. - Elemento filtrante. - Válvula de by-pass (tipo válvula antirretorno, operando contra un muelle) que se abrirá cuando el elemento filtrante este muy tupido. - Indicador de estado: visual o por medio de la caída de presión.

Válvula "by-pass" Flujo Carcasa Elemento filtrante Recipiente Figura 7. Componentes de un filtro.

Figura 8. Símbolo del filtro.

Posición de los filtros en los circuitos:

a)

b)

c)

d)

Figura 9. Posiciones del filtro en el circuito. A continuación se detallan las características de cada una de las posiciones del filtro para un circuito oleohidráulico. a) Filtro en el conducto de aspiración: resulta la mejor posición para el filtrado de partículas para proteger directamente a la bomba. La posibilidad de cavitación hace que sólo las mallas metálicas y los filtros de superficie con huecos de tamaño grande sean los adecuados. El tamaño de las partículas filtradas se encuentra en el rango de 50 a 100 µm.

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b) Filtro en el conducto de impulsión: permite reducir el tamaño de las partículas que llegan al circuito. Al estar en la línea de alta presión requieren una resistencia mayor que la del conducto de aspiración. El tamaño de las partículas recogidas está en el rango de 10 a 25 µm. Se suele tratar de filtros de profundidad muy robustos. c) Filtro en el conducto de retorno al depósito: debido a las limitaciones en el tamaño de partículas (aspiración) y en la resistencia del equipo (impulsión), una posición alternativa es la línea de retorno al depósito, donde la presión es baja y no hay problemas de cavitación. El tamaño de las partículas filtradas se encuentra entre 25 y 30 µm. d) Adicionalmente, si el funcionamiento del circuito lo requiere, se puede disponer de un circuito independiente de filtrado que incluya también la refrigeración del fluido. e) Otras posiciones: antes de algún componente especialmente sensible a la posible aparición de partículas, como servoválvulas, derivaciones a tanque con válvulas reguladoras de caudal. En todos los casos, el filtro puede tener la posibilidad de cortocircuitar su funcionamiento por medio de un by-pass siempre que el filtro se encuentre tupido de partículas y sea necesaria su limpieza o cambio. A continuación se indican los grados de filtración y las posiciones del filtro recomendadas:

Elemento

Posición del filtro

Bomba de émbolos axiales

Bombas de engranajes émbolos radiales

Grado de filtración en µm

Línea de retorno y/o línea de presión ≤ 25 Línea de baja presión

≤ 25

Línea de retorno

≤ 63

y

Válvulas distribuidoras, de presión, caudal y cierre; Línea de aspiración cilindros

≤ 63

Motores hidráulicos

≤ 25

Línea de retorno