CARACTERÍSTICAS DE FLUIDOS HIDRÁULICOS
Propiedades de fluidos hidráulicos
Selección del rango de viscosidad de los fluidos hidráulicos
Fallas en sistemas hidráulicos
«En base a mi experiencia en el negocio de reparación hidráulica, creo que el hecho de que los usuarios de equipos hidráulicos operan sus equipos fuera de los límites de viscosidad admisible, es la principal causa de la falla prematura de los componentes hidráulicos».
«La viscosidad del fluido es un factor determinante en cuanto a si se logra y se mantiene la película completa de lubricación. Cuando la temperatura es elevada y la viscosidad disminuye por debajo de lo que se requiere para mantener la película hidrodinámica, ocurre contacto parcial entre los sólidos con la posibilidad de fricción y el desgaste».
Ejemplo de falla catastrófica
Los depósitos de color dorado son evidencia que esta bomba hidráulica de pistones axiales se ha operado por encima de la temperatura recomendada. En temperaturas elevadas, la viscosidad del fluido se reduce y la película de lubricante entre pistón y tambor de cilindros se ha perdido. La fricción resultante ha sobrecalentado el pistón haciendo que éste se expanda en su cilindro hasta el punto de interferencia. Una vez que esto ocurre, la fuerza de tracción arranca el pistón de su zapatilla.
Un sistema hidráulico utiliza un fluido, prácticamente incompresible, como medio de transferencia de la potencia del sistema.
Los fluidos hidráulicos modernos tienen múltiples propósitos:
- Transferencia de la energía hidráulica (Función principal)
- Lubricación de los componentes móviles
- Evitar corrosión en el sistema
- Remover impurezas y abrasión (Control de contaminación)
- Disipar calor / Transferencia de calor
Al seleccionar un fluido hidráulico es indispensable considerar:
- La viscosidad
- La compatibilidad con el material de los empaques
- La disponibilidad
- Los aditivos en el fluido
Las características
Viscosidad
Medida de la resistencia a fluir. Un fluido de mayor viscosidad fluye con mayor dificultad. Viscosidad excesivamente alta contribuye a elevar la temperatura del fluido y un mayor consumo de energía.
Una viscosidad equivocada daña un sistema hidráulico (factor clave).
Índice de viscosidad
Característica como la viscosidad cambia respecto al cambio de la temperatura. Un fluido con índice de viscosidad (IV), alto es menos sensible al cambio de temperatura, que un fluido de baja IV.
Estabilidad a la oxidación
Resistencia del fluido a la degradación causada por reacciones químicas con oxígeno. La oxidación reduce la vida de un fluido, dejando subproductos como lodos y ceras, que interfiere con el funcionamiento de válvulas y puede restringir el flujo de paso.
Resistencia al desgaste
Capacidad del lubricante para reducir el desgaste debido a la fricción entre componentes solidos. Se logra mediante la formación de una película protectora sobre las superficies metálicas que evita la abrasión, desgaste abrasivo.
Viscosidad dinámica, μ
La viscosidad dinámica, designada como μ, se mide, en unidades del Sistema Internacional, en pascal-segundo (Pa·s), o N·s·m-2, o kg·m−1·s−1.
Viscosidad cinemática, ν
La viscosidad cinemática, designada como ν, se mide, en unidades del Sistema Internacional, en metros cuadrados sobre segundo (m2·s-1).
En el Sistema Cegesimal se utiliza el Stokes (St).
Generalmente se clasifican los fluidos hidráulicos:
- Fluido a base de petróleo
- Fluidos a base de agua
- Fluidos sintéticos
El tipo de fluido seleccionado debe ser compatible con el material utilizado en los componentes hidráulicos (bombas filtros, tubería, conectores y empaques, etc).
Debido a posibles fugas en sistemas hidráulicos se debe considerar la toxicidad y potencialidad de contaminación ambiental
Fluidos con base de petróleo (aceites minerales)
Aceites minerales a base de petróleo
Son fluidos de alta calidad a bajo costo, fácilmente disponible.
Utilizados en sistemas de dirección, maquinaria pesada, sistemas hidráulicos estacionarias, sistemas hidráulicos en la aeronáutica, amortiguadores, frenos, y sistemas de control (90% de las aplicaciones industriales)
- Las propiedades dependen de los aditivos, la calidad del crudo y el proceso de refinación.
- Aditivos aumentan el desempeño del fluido e incluyen inhibidores de oxidación, agentes anticorrosivos, para disminuir el azufre (desulfurizadores), agentes para disminuir el desgaste y la formación de espuma, presión extremo (EP).
Las desventajas principales de fluidos hidráulicos a base de petróleo son:
- La presencia de ceras, que puede dar lugar a malas propiedades de flujo a baja temperatura.
- Pobre estabilidad a la oxidación a altas temperaturas de forma continua, que puede conducir a la acumulación de lodos y ácido.
- El cambio significativo en la viscosidad como los cambios de temperatura, que pueden causar el aceite base para diluir excesivamente a alta temperatura.
- Límite máximo de temperatura de funcionamiento temperatura 125°C; Rango óptimo 40°C a 65°C.
Fluidos con base de agua
Por su alto contenido de agua estos fluidos tienen poca probabilidad de inflamarse.
Se aplican generalmente en ambientes con temperatura elevadas, donde es importante evitar la inflamabilidad.
La evaporación parcial de la parte agua bajo estas condiciones podría provocar un cambio de viscosidad. El reajuste se logra añadiendo agua.
La composiciones de fluidos de base agua son emulsiones agua-aceite, aceite-agua o mezcla agua-glicol
Fluidos con base de agua tienen un costo más elevado en comparación de fluidos con base de petróleo
Fluidos con base de agua generalmente tienen menor resistencia al desgaste.
Fluidos sintéticos
Aceites básicos sintéticos son caros debido a su producción a base de componentes químicas puras. Su uso debe justificar el costo adicional y debe existir un beneficio financiero para su uso.
En comparación con los aceites minerales que contienen miles, si no millones, de diferentes estructuras químicas (moléculas), un aceite sintético esta compuesto del mismo tipo de componentes.
La ventaja principal de los aceites sintéticos es su capacidad de operación en temperaturas de funcionamiento extremas
- Temperaturas de funcionamiento por encima de 85°C
- Temperaturas de operación por debajo de -18°C.
Otras ventajas de lubricantes sintéticos pueden incluir:
- Mejora de la eficiencia energética (1% o mas) debido a mejores propiedades en baja temperatura
- Mayor resistencia de la película de aceite
- Extendidos intervalos de drenaje en algunas aplicaciones (limpios)
- Biodegradabilidad con algunos sintéticos (ésteres).
- Índice de viscosidad superior.
- Resistencia al fuego (ésteres de fosfato).
Propiedad Viscosidad-Temperatura de aceites hidráulicos
La temperatura tiene un efecto adverso para la viscosidad de aceites hidráulicos.
En el diagrama viscosidad cinemática versus temperatura se muestran funciones de diferentes índices de viscosidad (VI)
La viscosidad de un fluido con un índice de viscosidad alto es menos sensible al cambio de temperatura que de un fluido con un índice menor.
- Aceites con VI nafténicos en su naturaliza
- Aceites entre VI entre 50 y 80 son nafténicos-parafínicos
- Aceites con VI > 80 son parafínicos
Aceites parafínicos tienen mayor resistencia a la oxidación y muestran un menor cambio de viscosidad en un cierto rango de temperatura.
Selección de la viscosidad del fluido hidráulico
Uno de los criterios más importantes en la selección de un fluido hidráulico es la viscosidad.
Es una idea errónea de que la reducción de la viscosidad del fluido hidráulico reduce las temperaturas de funcionamiento,
En realidad, una mayor viscosidad conduce a una reducción en la temperatura de funcionamiento en aplicaciones hidráulicas
- Un fluido que es demasiado alto en la viscosidad, por el contrario, causa una eficiencia mecánica pobre, problemas para la puesta en marcha en frio y el desgaste debido a la cavitación.
- Un fluido con una viscosidad demasiado bajo reduce la eficiencia volumétrica de las bombas y provoca un sobrecalentamiento del fluido.
- Además, los líquidos de baja viscosidad aumenta de la fricción y el desgaste de la bomba.
Selección de la viscosidad del fluido hidráulico
Diagrama de perdida de potencia de un sistema hidráulico en función de la viscosidad del fluido
Perdida de potencia de un sistema hidráulico en función de la presión de operación y viscosidad del fluido:
Más elevada la presión de operación del sistema hidráulico más alta debe ser el grado de viscosidad
Criterios de selección de viscosidad
Según los fabricantes de bombas hidráulicas, la mayoría de los equipos muestran un rendimiento satisfactorio en un rango de viscosidad de servicio de 13 a 860 cSt.
Con base del rango de viscosidad, se ha desarrollado el diagrama de rango de operación (temperature operating window, TOW)
Un fluido que se encuentra en el rango de operación (temperatura del fluido en el depósito), proporciona un rendimiento satisfactorio en cuestión de viscosidad
Criterios de selección de viscosidad
El diagrama se utilizar para identificar los requerimientos de viscosidad para el equipamiento hidráulico
En entornos de fabricación, se incorporan normalmente enfriadores y termostatos para estabilizar la temperatura del aceite
Sistemas hidráulicos que operan en un entorno al aire libre en general, requieren fluidos hidráulicos multigrado para un desempeño eficiente en altas y bajas temperaturas.
Criterios de selección de viscosidad
Para seleccionar un fluido hidráulico utilizando el diagrama determinar la temperatura ambiente más baja en el inicio y la temperatura más alta de líquido en uso.
Por ejemplo, en un taller mecánico con arranque del sistema hidráulico a baja temperatura de 45 °F (10°C) y una temperatura en el sistema superior de 150 ° F (70°C).
Los grados ISO VG 46 y VG 68 para fluidos cubren los límites superior e inferior del rango.
Debido a que los fluidos tienden a operar en el lado izquierdo de la gama óptima, un fluido con ISO 68 proporciona una mejor eficiencia volumétrica y eficiencia en general de la bomba.
Clasificación de viscosidad ISO
La clasificación ISO VG defina 18 grados de viscosidad cinética entre 2cSt a 1500cSt con base a 40°C (ISO-Viscosity Grade, ISO VG).
El estándar de aceites industriales ISO fue adoptado prácticamente de todos los productores de lubricantes y ella industria petrolera.
Viscosidad dinámica 
La viscosidad de fluidos según 
, proporciona el valor de la viscosidad dinámica a 40°C (por ejemplo 
).
La viscosidad disminuye con la temperatura creciente
La determinación de la viscosidad real 
a la temperatura de operación se podría hacer mediante tablas.
Escala de comparación de diferentes escalas de viscosidad
Nomograma para la conversión de unidades de viscosidad:
(Viscosidad cinemática 
en centistokes cSt)