La palabra “hidráulica” proviene del griego hydor, que significa “agua” y aulos, que significa “tubería”. La hidráulica cubre originalmente el estudio del comportamiento físico del agua en reposo y en movimiento. Este término, se ha ido ampliando para cubrir el comportamiento de todos los líquidos, refiriéndose a la transmisión y control de fuerzas y movimiento de los mismos.
La hidráulica considera la manera de la cual los líquidos actúan en tanques y tuberías, así como sus características y formas de aprovechamiento para la transmisión de energía. En la mayoría de los casos, se trata de aceites minerales para condiciones donde no se presentan riesgos de incendio y, aceites sintéticos, fluidos base agua-glicol, emulsiones invertidas, fluidos con alto contenido de agua, ésteres base fosfato, poliol éster, etc.
Dentro de la hidráulica, se encuentra el término de potencia fluida, creado para incluir la generación, control y el uso de la energía en forma continua y eficaz de los fluidos bombeados o comprimidos cuando se utiliza esta energía para proporcionar la fuerza y movimiento a los mecanismos. Esta fuerza puede estar en forma de empuje, tracción, rotación o conducción y se relaciona con líquidos y neumática, relacionada a los gases.
Durante mucho tiempo, no se presentaron grandes avances en cuanto a desarrollo hidráulico, hasta finales del siglo XVII, periodo del Gran Desarrollo de la Hidráulica, encabezado por el físico italiano, Evangelista Torricelle, y el físico francés, Edme Mariotte. A este movimiento se sumaría posteriormente Daniel Bernoulli quien condujo experimentos que estudiaban los elementos de fuerza presentados en la descarga de agua a través de pequeñas aberturas instaladas en costados de tanques y tuberías cortas.
Simultáneamente, Blaise Pascal trabajaba en Francia la Ley Fundamental de la Ciencia de la Hidráulica. Para que esta ley sea útil en aplicaciones prácticas, será necesario un ajuste del pistón de precisión, cumpliendo así con los parámetros y requisitos de los sistemas hidráulicos. Para lograrlo, fue necesario la invención de máquinas que cortaran y dieran forma a las piezas, obteniendo así los acoplamientos debido al desarrollo de juntas y empaques. Desde entonces, componentes como bombas, válvulas, actuadores y motores han tenido un gran desarrollo para hacer de la hidráulica una de las tecnologías principales para transmitir potencia.
La prensa hidráulica, inventada por el ingeniero inglés John Bramah, fue una de las primeras máquinas en emplear principios hidráulicos. Su diseño consistía en una bomba de émbolo conectada, mediante tuberías, a un cilindro provisto de un pistón, lo que permitió demostrar de forma práctica la transmisión de fuerza a través de un fluido.
En una instalación hidráulica, la función principal del fluido hidráulico es la transmisión de fuerzas y movimientos. Sin embargo, debido a la amplia variedad de aplicaciones y condiciones de operación de los sistemas hidráulicos, a estos fluidos se les exige cumplir con diversas funciones y presentar características específicas.
Dado que no existe un fluido hidráulico que sea igualmente adecuado para todos los sectores y aplicaciones, su selección debe realizarse considerando cuidadosamente las condiciones particulares de cada caso. Solo de este modo es posible garantizar un funcionamiento confiable, eficiente y económicamente viable del sistema.
Más adelante se presentará una Guía de Selección de Fluido Hidráulico, orientada a facilitar la elección del producto más adecuado de acuerdo con las condiciones de operación.
Propiedades de los fluidos lubricantes
Los lubricantes se desarrollan y formulan para cumplir con especificaciones que definen las propiedades requeridas según cada aplicación. Algunas de estas propiedades son de carácter absoluto, ya que corresponden a sus características físico-químicas, mientras que otras son funcionales y se encuentran intrínsecamente ligadas a las condiciones de servicio en las que el lubricante operará. Debido a esta diversidad, se han desarrollado numerosos métodos de ensayo para evaluar las propiedades de los aceites, existiendo incluso diferencias en los procedimientos empleados aun cuando el objetivo sea medir una misma propiedad.
Los métodos de ensayo asociados a las propiedades más relevantes han sido estandarizados por distintos organismos internacionales, entre los que destacan ASTM en Estados Unidos, IP en Inglaterra y DIN en Alemania, los cuales establecen criterios uniformes que permiten la comparación y validación de resultados.
A continuación, se presentan las propiedades cuya evaluación se recomienda tanto para aceites minerales como para fluidos sintéticos:
- Viscosidad
- Índice de viscosidad
- Estabilidad térmica
- Estabilidad a la oxidación
- Punto de fluidez
- Demulsibilidad
- Punto de ignición
- Punto de inflamación
Viscosidad
La viscosidad de un fluido es la característica más importante que un lubricante debe mantener. En los aceites lubricantes, la viscosidad es una de las propiedades fundamentales, y gran parte del entendimiento del fenómeno de la lubricación se basa en este concepto. Para comprender cómo un aceite ingresa en un balero y es capaz de soportar la carga, es indispensable la explicación de la viscosidad.
La viscosidad dinámica de un fluido es la relación que existe entre la tensión de corte aplicada y el gradiente de velocidad, y constituye una indicación de su resistencia a fluir a una temperatura determinada. Por otro lado, la viscosidad cinemática se define como la relación entre la viscosidad dinámica y la densidad del fluido, y representa la resistencia del fluido a fluir por efecto de la gravedad a una temperatura específica.
La viscosidad cinemática es, por lo tanto, proporcional al tiempo que tarda un volumen determinado de fluido en escurrir a través de un tubo capilar calibrado, principio sobre el cual se basan todos los métodos de medición. Esta propiedad expresa la resistencia del aceite a fluir y al corte bajo la acción de la gravedad y se expresa en centistokes (cSt).
En el ámbito de los fluidos hidráulicos, la viscosidad se entiende como la característica del fluido de ofrecer resistencia al desplazamiento laminar recíproco de dos capas vecinas. La viscosidad es la magnitud característica más importante al seleccionar un fluido hidráulico, ya que no define su calidad, sino su comportamiento a una temperatura de referencia determinada. Por esta razón, al seleccionar componentes hidráulicos resulta fundamental considerar los valores mínimos y máximos de viscosidad especificados por los fabricantes.
Los fluidos con alta viscosidad, como la melaza, fluyen lentamente, mientras que los fluidos de baja viscosidad, como el agua o un aceite para cocinar, fluyen con mayor facilidad. Los aceites lubricantes se presentan en una amplia variedad de viscosidades.
Figura 1. Viscosímetro SAYBOLT en SSU a 37.8°C y 100°C
Figura 2. Viscosidad Cinemática en cSt a 40 °C
¿Cuál es la viscosidad adecuada? Cumplir con la Regla de Oro de lubricación
Como se mencionó con anterioridad, en la lubricación de componentes, la viscosidad es la propiedad más importante. Para calcularla:
- Se determina de acuerdo a condiciones de operación y experiencia.
- Depende del diseño, pero la selección debe de ser a la menor viscosidad que permita sustentar las cargas y minimizar pérdidas de energía.
En condiciones donde existen fluctuaciones de temperatura en un amplio rango, el fluido hidráulico no debe volverse ni demasiado espeso ni excesivamente fluido, ya que esto provocaría variaciones de caudal en los puntos de estrangulamiento. En el diagrama viscosidad–temperatura se identifica el Índice de Viscosidad adecuado para un fluido hidráulico mediante una curva característica más plana.
Los fluidos hidráulicos con un elevado Índice de Viscosidad se requieren especialmente en aplicaciones sujetas a grandes fluctuaciones de temperatura, como maquinaria de trabajo móvil, aviones y equipos en plantas siderúrgicas.
Índice de viscosidad requerido
La viscosidad es importante respecto a la temperatura de la operación. El lubricante, por tanto, deberá de cumplir con el rango de temperaturas de la misma, esto implica que no deberá de tener una viscosidad elevada a temperaturas mínimas y una viscosidad muy baja en temperaturas altas.
Para sistemas hidráulicos, la viscosidad se toma a la temperatura de referencia, que es de 40°C.
En la siguiente gráfica, se observan tres fluidos hidráulicos con la misma viscosidad, pero diferentes índices de viscosidad:
Viscosidad a la temperatura de operación
En bombas hidráulicas, el fabricante especificará la viscosidad que debe de ser utilizada y se encuentra basada a una temperatura de 40°C. Veamos un ejemplo:
- Para la lubricación de un componente, la viscosidad deberá de ser de 32 cSt.
- Si la temperatura de operación es de 100°C, el aceite debe de tener 32 cSt a 100°C.
- Y, en caso de que la temperatura de operación sea de 30°C, la viscosidad debe de ser 32 cSt a 30°C.
Criterios generales de selección
La viscosidad debe de ser la apropiada para las condiciones de operación. Tener una viscosidad muy alta genera el fenómeno de fricción fluida y aumenta la temperatura. En cambio, cuando la viscosidad es baja, no se logrará la separación de las superficies y se produce el contacto metal-metal, con el consecuente desgaste.
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