DIAGNÓSTICO Y RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS HIDRÁULICOS (PARTE I)
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| Imagen: http://aolpapers.com/pros-and-cons-of-mechanical-engineering/ |
Principio I
Para diagnosticar y solucionar efectivamente un problema en un
sistema hidráulico, es de bastante ayuda el conocer y entender las leyes
de la física aplicadas en la hidráulica. Para nuestro propósito estas leyes se
pueden resumir de la siguiente manera:
- Las
bombas hidráulicas generan flujo (no presión).
- La
resistencia al flujo es lo que genera presión.
- La
presión determina la fuerza de un cilindro y el torque de un motor.
- El
flujo determina la velocidad de un cilindro o motor.
- Los
fluidos bajo presión toman el camino de menor resistencia.
- Cuando
un líquido se mueve de un área de alta presión a un área de baja presión
(caída de presión) sin hacer ningún trabajo útil, se genera calor.
- Los
fluidos hidráulicos son compresibles – no altamente compresibles pero si
compresibles.
De acuerdo al circuito hidráulico mostrado en la figura 1.1, con
la bomba (1) trabajando, el flujo de salida de 3.17 galones por minuto es
dirigido a través de un flujómetro (2) y una válvula de control direccional (6)
hacia el tanque.
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| Figura 1.1: Válvula de bola (3) cerrada. |
Nótese que la presión antes de la válvula de control direccional
(6) es de 21 PSI. Esto está visualizado en el manómetro (5).
Esta presión NO es creada por la bomba, es creada por la
resistencia al flujo de la válvula de control direccional (6), esto se puede
probar abriendo la válvula de bola (3) – vea la figura 1.2.
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| Figura 1.2: Válvula de bola (3) abierta.
Además el flujo de la bomba no viajará al tanque vía la válvula de
control direccional (6) con una resistencia de 21 PSI (figura 1.1) cuando puede
escapar al tanque a través de la válvula de bola (3) con una resistencia de 1.5
PSI (figura 1.2).
Con este simple ejercicio demostramos que:
En un contexto de diagnóstico y resolución de problemas, esto
significa que la pérdida de una presión indica una pérdida de resistencia al
flujo. En otras palabras, es una indicación de que un camino de menor
resistencia al tanque se ha abierto – y el fluido hidráulico lo está tomando.
La figura 1.3 muestra el mismo circuito pero esta vez con un
cilindro (7) extendiéndose. La válvula de bola (3) está cerrada. Nótese que el
vástago del cilindro está extendiéndose a una velocidad (v) de 1.7 pulgadas por
segundo (in/s). La carga genera una presión de 400 PSI que es mostrada en el
manómetro (5) y en el cilindro la fuerza de extensión (f) generada por estos
400 PSI actuando en el área del émbolo del cilindro es de 2,571 libras (lbf).
Figura 1.3: Cilindro (7) extendiéndose.
La figura 1.4 muestra la misma situación pero con un flujo
elevado de 3.17 a 4.22 galones por minuto (GPM) – vea el flujómetro (2) en la
figura 1.4. Este incremento en el flujo de la bomba tiene como resultado un incremento
en la velocidad de extensión del cilindro de 1.7 a 2.26 in/s. Note que la
presión creada por la carga y la fuerza resultante del cilindro no ha sido
afectada por el incremento del flujo de la bomba.
Esto demuestra que el
flujo determina la velocidad del actuador (cilindro o motor).
En un contexto de diagnóstico y resolución de problemas, esto
significa que la pérdida de velocidad de una actuador indica una pérdida de
flujo al actuador. En otras palabras, el flujo de la bomba ha encontrado una
ruta de escape al tanque.
Figura 1.4: Cilindro (7) extendiéndose con el flujo de la bomba elevado.
Note también que la presión y la resistencia del flujo están
interrelacionados. Cuando la válvula de bola (3) fue abierta en la figura
1.2, la pérdida de la resistencia resultó en una pérdida de presión. Pero
también resultó en una pérdida de flujo a la válvula de control direccional (6)
y, por lo tanto, al cilindro (7). Si el cilindro hubiese estado extendiéndose
cuando la válvula de bola fue abierta, se hubiera detenido.
La Figura 1.5 muestra el mismo circuito con una válvula de
control direccional (6) activada para el extender el cilindro (7), sin embargo,
el cilindro se ha detenido durante la operación. Note que la velocidad del
vástago (v) es 0 pulgadas por segundo (in/s). La razón por la que el cilindro
se ha detenido es porque la carga externa es mayor que la fuerza que el
cilindro puede desarrollar a una presión de 1,000 PSI, mostrada en el manómetro
(5).
También note que el flujo de la bomba está tomando el camino de
menor resistencia al tanque, que es a través de la válvula de alivio (4).
En este estado, no hay flujo que llegue al cilindro y aun
así el cilindro está produciendo una fuerza (f) de 7,000 libras (lbf).
En este circuito la magnitud de la fuerza detenida puede ser
incrementada o disminuida ajustando el resorte de la válvula de alivio (4).
Figura 1.5 – Cilindro detenido: fuerza = 7000 lbs.
En la figura 1.6, el ajuste de la válvula de alivio (4) ha sido
incrementado a 1,200 PSI como se muestra en el manómetro (5). El cilindro (7)
permanece detenido. Todo el flujo de la bomba continúa pasando a través de la
válvula de alivio al tanque y aun así el cilindro ahora está produciendo una
fuerza aumentada de 8,372 libras.
Figura 1.6 – Cilindro detenido:
fuerza = 8732 lbs.
Así que esto demuestra que:
En la figura 1.5 y 1.6, con el cilindro detenido, no hay trabajo
que se esté realizando y aun así la bomba está produciendo un flujo de 3.17
galones por minuto. Como ya lo habíamos definido, este flujo está pasando a
través de la válvula de alivio (4) al tanque.
En la figura 1.5 la resistencia de la válvula de alivio es de
1,000 PSI y en la figura 1.6 la resistencia es 1,200 PSI.
Para que el flujo pase por encima de la válvula de alivio a
estas presiones, la potencia debe ser consumida en la entrada de la bomba y
como la energía no puede ser creada ni destruida, solo transformada de una
forma a otra, toda esta potencia de entrada es convertida en calor.
Esto ilustra que:
Una caída de presión literalmente significa una baja en la
presión o, dicho de otra manera, una diferencia en la presión. Puede ser
expresada simbólicamente como ΔP (Delta-P). Así que la caída de presión o la
diferencia de presión entre la válvula de alivio mostrada en la figura 1.7 es
calculada restando presión de salida (Pb) de la presión de entrada (Pa):
Figura 1.7 Caída de presión a través de una válvula de alivio.
Pa - Pb = ΔP → 1853 – 5 = 1848 PSI
Así que Delta-P (ΔP), la caída de presión o presión diferencial
a través de la válvula de alivio en la figura 1.7 es 1,848 PSI. Note que no hay
trabajo útil realizado de esta caída de presión y porque no está realizando
algún trabajo, la energía consumida en la bomba para hacer posible esta caída
de presión es convertida a CALOR. Esto desperdicia potencia que térmicamente
craquea o fractura el aceite hidráulico y puede causar que el sistema
hidráulico se sobrecaliente.
Esto también significa que la válvula de alivio mostrada en la
figura 1.7 es probable que esté varios grados más caliente que los componentes
que la rodean. Y esto es lo que hace que sea bastante útil entender esta ley
física en una situación de diagnóstico y resolución de problemas.
Ahora considere una caída de presión a través del motor
hidráulico mostrado en la figura 1.8. La caída de presión es la misma a
la que pasa a través de la válvula de alivio en la figura 1.7:
Pa - Pb = ΔP → 1853 – 5 = 1848 PSI
Figura 1.8 Caída de Presión a través del Motor.
Sin
embargo, la GRAN diferencia es que la mayoría de la caída de presión a través
del motor está haciendo un trabajo. Está creando un torque de salida y RPM en
la flecha del motor, de todos modos hay una caída de presión secundaria que
crea calor. Y este es el relativamente pequeño porcentaje de flujo que fuga de
regreso al tanque vía las partes internas del motor, en otras palabras, la fuga
interna del motor es una caída de presión que crea calor.
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