Obtenga la máxima eficiencia de su sistema hidráulico

Consumo del sistema de potencia fluida entre 2,25 y 3,0 billones de BTU al año. Para aplicaciones móviles, se desglosa en alrededor de 1,2 billones, 1,7 para aplicaciones industriales y 0,1 para aplicaciones aeroespaciales. La eficiencia promedio de estos sistemas de energía fluida es del 21%.¿Puede la optimización de fluidos reducir el consumo de energía y aumentar la eficiencia de los sistemas hidráulicos?

Base de eficiencia

El sistema hidráulico convierte la potencia mecánica giratoria del motor y del motor eléctrico en potencia fluida al girar el eje de entrada de la bomba. Las válvulas de control hidráulico dirigen la salida de la bomba a los actuadores de la máquina que usan cilindros de aire y motores para convertir la energía del fluido nuevamente en energía mecánica.

Un motor hidráulico es como una bomba que funciona al revés;Convierten la energía de los fluidos en energía mecánica giratoria y pueden generar las altas densidades de energía necesarias para mover las máquinas. Los motores hidráulicos hacen girar los tambores de la hormigonera, giran la pluma de la excavadora, accionan las cuchillas de corte de la rueda de roca, activan la excéntrica de la pavimentadora y propulsan la minicargadora.

A diferencia de las bombas centrífugas, donde el caudal depende de la presión, los sistemas hidráulicos utilizan bombas y motores de desplazamiento positivo cuyo caudal es independiente de la presión. Ninguna bomba es 100% eficiente, por lo que la presión siempre afectará el flujo hasta cierto punto.

Los sistemas hidráulicos generan energía cinética en forma de flujo y energía potencial en forma de presión. Por lo tanto, es necesario separar las áreas de alta y baja presión en el sistema hidráulico. Este requisito impulsa muchos conceptos de diseño en la tecnología de potencia de fluidos;Las piezas móviles de la máquina deben sellarse en las interfaces de fricción para minimizar las fugas de espacio libre.

Las fugas internas, es decir, el flujo de fluido dentro de un elemento hidráulico desde un área de alta presión a un área de baja presión, reduce la potencia que el sistema puede entregar. A medida que aumentan la presión y la temperatura del sistema, también lo hace la pérdida de flujo impulsada por la presión a través del espacio interno. Este efecto es más pronunciado en las aplicaciones móviles;Los tanques más pequeños y los intercambiadores de calor necesarios para mover los sistemas hidráulicos significan que funcionan a temperaturas más altas que los sistemas industriales.

¿Cómo medimos la eficiencia?

La eficiencia general de una bomba o motor hidráulico es su eficiencia volumétrica multiplicada por su eficiencia mecánica. La eficiencia volumétrica está relacionada con el flujo de salida por revolución del eje de entrada de la bomba. Mide la capacidad de la bomba para minimizar las fugas entre las áreas de alta y baja presión. La eficiencia mecánica está relacionada con el par de salida del motor y es un indicador de la capacidad del fluido para evitar la fricción. A altas presiones de la bomba y bajas velocidades del motor, donde ocurren la mayoría de las operaciones prácticas, la eficiencia volumétrica aumenta rápidamente con el aumento de la velocidad de la bomba (o la viscosidad del fluido) y luego se estanca. Al mismo tiempo, a medida que aumenta la velocidad de la bomba (o la viscosidad del fluido), la eficiencia mecánica disminuye casi linealmente. Esta relación a menudo se ilustra utilizando la curva de Stribeck, que traza la eficiencia en función de la velocidad,

requerimientos de fluidos

La confiabilidad y la eficiencia requieren fluidos hidráulicos con diferentes propiedades. Los estándares de confiabilidad para todos los fluidos hidráulicos están claramente definidos y son obligatorios. Incluyen viscosidad, protección contra el desgaste, estabilidad térmica, inhibición de la corrosión, resistencia a la espuma, demulsibilidad (esto mide la capacidad del aceite para liberar agua), vida de oxidación y limpieza. Las propiedades del fluido relacionadas con la presión, incluido el módulo de volumen, la densidad y la tracción, pueden tener un gran impacto en la eficiencia del sistema hidráulico, pero estas propiedades rara vez aparecen en las especificaciones del fluido hidráulico.

Módulo de volumen Representa la relación entre el cambio de volumen y el cambio de presión en un líquido. Como regla general, el volumen de fluido hidráulico disminuye aproximadamente un 0,5 % por cada aumento de presión de 1000 psi. El módulo de volumen de un fluido depende de la presión, la temperatura, la composición química y la rigidez estructural. El módulo de volumen afecta las pérdidas de la bomba (eficiencia), la transmisión de sonido (generación de ruido) y el ancho de banda del sistema (respuesta dinámica o qué tan rápido responde una máquina cuando se cierra una válvula). El módulo de volumen también parece afectar las fugas de la bomba y del sistema de control.

densidad es la masa por unidad de volumen de una sustancia y es función de las fuerzas intermoleculares y de la composición química. Los aceites con módulo volumétrico alto son más densos y, por lo tanto, menos comprimibles que los lubricantes tradicionales. Los factores de densidad afectan la caída de presión a través de válvulas y conductos de fluidos, lo que afecta la eficiencia del sistema.

tracción es la fuerza cortante transmitida a través de la película de aceite lubricante. Es el resultado de la diferencia de velocidad (tanto velocidad como dirección) entre las superficies superior e inferior de la película. El coeficiente de tracción de un fluido es la relación entre la fuerza de tracción y la carga normal. Se requiere menos energía para cortar una película fluida con un bajo coeficiente de tracción entre dos superficies que se mueven entre sí. Un fluido con un coeficiente de tracción bajo puede reducir la pérdida de par a baja velocidad del motor (la diferencia entre el par teórico y el real causada por la fricción del juego).

Eficiencia de fluidos

Motor hidraulico. La eficiencia del motor hidráulico a baja velocidad o desde parado generalmente determina la presión de diseño requerida y el tamaño de la bomba para la prensa hidráulica. Esto es especialmente cierto para máquinas que deben arrancar bajo carga, como excavar un montón de tierra o levantar un contenedor de envío. Así como un automóvil es menos eficiente cuando está estacionado o se mueve lentamente, los motores hidráulicos también son ineficientes a bajas velocidades. La reducción de la fricción del motor a bajas velocidades mejora la eficiencia al aumentar la potencia disponible para acoplar la carga útil. Mejorar el rendimiento del motor puede afectar significativamente la eficiencia de todo el sistema.

Para ilustrar cómo las propiedades del fluido hidráulico afectan el rendimiento del sistema, comparamos cinco fluidos hidráulicos (cada uno contiene aditivos antidesgaste sin cenizas).

  • HM46. Un aceite mineral del Grupo I de alto rendimiento para sistemas hidráulicos de alta presión que funcionan en condiciones de moderadas a severas en aplicaciones móviles e industriales.
  • HV46. Alto Índice de Viscosidad Grupo III oi para sistemas hidráulicos de trabajo pesado con alto índice de viscosidad para un mejor desempeño temperatura-viscosidad.
  • Salud 46. Aceite biodegradable a base de ésteres sintéticos, especialmente útil en situaciones en las que derrames accidentales de aceite puedan dañar el agua.
  • HBMO46. Un aceite de alto módulo volumétrico basado en ésteres fenílicos del Grupo V (compuestos aromáticos).
  • HBMO46+FM . HBMO46 contiene pequeñas cantidades de aditivos modificadores de fricción. Todas las características excepto el coeficiente de tracción son las mismas que HBMO46.

Estos fluidos se evaluaron en motores de pistones axiales, pistones radiales y orbitales (engranajes), que mostraron tendencias similares en la pérdida de par en función de la velocidad del motor. A bajas velocidades del motor, la pérdida de par a baja velocidad de los fluidos de baja tracción (HEES46 y HBMO46+FM) es la mitad que la de los fluidos hidráulicos convencionales. La pérdida de par para todos los tipos de aceites es similar a velocidades medias y altas, pero disminuye y se nivela a medida que el motor acelera, luego aumenta ligeramente a velocidades máximas.

La diferencia en la eficiencia mecánica refleja las pérdidas de par. Los fluidos que no contienen aceites base o aditivos que alteran las propiedades de fricción tienen una menor eficiencia mecánica a bajas velocidades del motor. La eficiencia aumenta con la velocidad hasta un valor máximo y disminuye gradualmente a valores más altos. La eficiencia de los fluidos es similar a altas velocidades porque la lubricación hidrodinámica está en efecto y los fluidos tienen el mismo grado de viscosidad ISO.

bomba hidráulica. Bomba de pistón – Lazo abierto: En una bomba de pistones axiales, el eje de entrada hace girar el cilindro. A medida que gira el cilindro del cilindro, la corredera se desliza sobre el plato oscilante, creando un movimiento alternativo del pistón que llena y vacía el orificio del cilindro (vea la ilustración del plato oscilante del plato de válvulas). El fluido expulsado por el pistón ingresa al circuito a través de puertos en la placa de la válvula. La fuga principal es la holgura de la bomba de pistones axiales en las interfaces cilindro/placa de válvula, placa deslizante/vaivén y pistón/cilindro.

En una bomba de pistones axiales con compensación de presión, el ángulo del plato oscilante se ajusta automáticamente para compensar los cambios en la presión de salida de la bomba. En el lado hidráulico, la compensación de presión reduce la eficiencia volumétrica de la bomba al redirigir el flujo de salida de la bomba al sistema de control del compensador.

En el gráfico que compara las pérdidas de flujo de la carcasa de la bomba y del compensador para cinco fluidos, el aceite HM46 fue el fluido de referencia y se evaluó al principio, a la mitad y al final de la prueba. La tasa de pérdida de flujo promedio para el fluido HBMO fue un 20 % más baja que la del aceite HM46 de referencia. Las pérdidas de flujo de HEES46 y HV46 también fueron más bajas que la línea base de HM46. La pérdida de flujo de HBMO46+FM es ligeramente mayor que la del fluido base HBMO46, lo que puede deberse a la adición de modificadores de fricción u otros cambios en las propiedades del fluido. Los fluidos de alto módulo volumétrico también reducen las pérdidas de potencia de la bomba, pero las pérdidas de la bomba no son proporcionales a las pérdidas de flujo.

Bombas de Pistón – Lazo Cerrado: En un sistema de bomba de circuito cerrado, la bomba de carga envía aceite a la bomba hidráulica en lugar de la gravedad. Los sistemas de circuito cerrado se utilizan en equipos móviles porque la presión de carga evita la pérdida de eficiencia debido a la entrada de aceite insuficiente en la bomba.

En las pruebas de bombas de circuito cerrado, se encontró que la eficiencia volumétrica depende del caudal de la carcasa de la bomba. Cuando el flujo de fuga de la carcasa de la bomba aumentó de 0,55 galones por minuto a 1,05 galones por minuto, la eficiencia volumétrica disminuyó en aproximadamente un 5 %. Un flujo de fuga de medio galón por minuto no parece mucho, pero suma una pérdida de energía de alrededor de 0,5 kW, o alrededor de 25 gal. Combustible diésel o $75 de electricidad por más de 1000 horas de funcionamiento.

Bomba de engranajes: En las bombas de engranajes externos, que son las máquinas de desplazamiento positivo más utilizadas, el flujo se crea dirigiendo el fluido al perímetro de los engranajes engranados.

Se compararon las eficiencias promedio de 16 bombas de engranajes externos de 7 fabricantes en sus rangos nominales de velocidad y presión operativa. La eficiencia volumétrica promedio de las 16 bombas fue mayor a 50 °C que a 80 °C, pero la eficiencia mecánica de las bombas varió ampliamente entre los modelos de bombas.

Las mediciones de torque en función de la velocidad de la bomba arrojaron algunos resultados inesperados. A presiones bajas (y, por lo tanto, valores de par bajos), el sistema funciona casi igual a 50 °C y 80 °C. Sin embargo, a presiones más altas, el par a 50° es menor que a 80°C en todas las velocidades de la bomba, contrariamente a la mayoría de las predicciones de los libros de texto. El flujo de salida de la bomba como función de la presión de salida de la bomba es mayor a 50 °C que a 80 °C, y la diferencia es mayor a mayor flujo y mayor presión, de acuerdo con las predicciones de los libros de texto. Todas las bombas de engranajes tienen una mayor eficiencia general a temperaturas más bajas.

Póngalos juntos

Seleccionar el fluido hidráulico correcto requiere que los ingenieros evalúen varios factores que interactúan, incluidos el tamaño y el tipo de equipo y las condiciones de funcionamiento, como la temperatura, la presión y la carga máxima. Ciertas propiedades requieren compensaciones para lograr el mejor equilibrio, por ejemplo, confiabilidad versus eficiencia y eficiencia mecánica versus volumétrica. Las diferencias en la eficacia con la que los diversos fluidos hidráulicos transmiten potencia son más evidentes en las características de baja velocidad del motor para excavar zanjas o levantar contenedores, donde el rendimiento es más crítico.

nancy macguire es un escritor independiente con sede en Silver Spring, MD. pablo miguel es químico investigador en el Instituto de Dinámica de Fluidos de la Escuela de Ingeniería de Milwaukee. Este artículo apareció por primera vez en Tribological Lubrication Technology (TLT), la edición mensual de la revista. Sociedad de Tribólogos e Ingenieros de Lubricación , una asociación profesional internacional sin fines de lucro con sede en Park Ridge, Illinois.

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