Prueba de fugas

Una fuga en el sistema hidráulico se parece mucho al resfriado común. Los logros tecnológicos son asombrosos, pero aún no hemos solucionado una de las molestias más generalizadas. En general, los problemas de fugas se han vuelto menos comunes y menos severos. Esta fuga todavía confunde a muchos fabricantes de componentes, ya que los diseños de accesorios sin fugas han estado fácilmente disponibles durante años (uno de los principales culpables). Los sellos, principalmente sellos de vástago en cilindros, plantean diferentes desafíos. Esto se debe a que se requiere una película lubricante limpia entre el sello y la superficie del vástago del pistón. Sin él, los sellos se desgastarán prematuramente y, por lo tanto, tendrán fugas. Pero una película de aceite lubricante demasiado gruesa también puede provocar fugas, porque el exceso de aceite lubricante (aceite hidráulico) tiene que ir a alguna parte.

Si existe un producto para reducir o eliminar los problemas de fugas, entonces la solución radica en elegir el producto correcto e instalarlo correctamente para la aplicación específica en cuestión. Esto puede dar como resultado un dispositivo terminado sin fugas, pero controlar las fugas requiere precauciones constantes. Por lo general, no se siguen porque la mayoría de los sistemas hidráulicos continúan funcionando de manera segura incluso en caso de fuga. Por otro lado, con los sistemas eléctricos, los componentes se mantienen o reemplazan tan pronto como surge un problema potencial. Si el cable se deshilacha donde entra en la caja de conexiones, puede estar seguro de que la máquina se apagará y el problema se corregirá mucho antes de que salgan chispas; esta es una forma de fuga eléctrica.

Dado que un sistema hidráulico con fugas generalmente no representa una amenaza grave para la seguridad o el rendimiento de la máquina, una fuga a menudo se considera una molestia que se puede solucionar durante el siguiente tiempo de inactividad y mantenimiento programados de la máquina. Intenta hacer esto con un controlador electromecánico que emita algunas chispas. Si alguien intenta corregir la fuga, la primera acción suele ser apretar el accesorio, aunque se haya apretado demasiado.

Por lo tanto, hay dos aspectos para prevenir fugas. Implica no solo seleccionar e instalar los componentes correctos para una aplicación en particular, sino también mantener las condiciones que permiten que los componentes continúen funcionando sin fugas. Para un rendimiento óptimo de los componentes, los diseñadores deben comprender los productos disponibles que pueden lograr cero fugas para cada aplicación específica y cómo instalarlos. Por otro lado, los usuarios deben saber qué deben hacer para mantener el sistema funcionando sin fugas.

Evitar fugas de componentes

Encontrar un componente que prometa un rendimiento sin fugas no es un gran desafío. Todos los principales fabricantes de componentes ofrecen productos que cumplen con SAE e ISO para reducir las fugas. Sin embargo, encontrar componentes que brinden un rendimiento sin fugas para toda la máquina se ha vuelto bastante desalentador. Esto se debe a que un accesorio, una manguera, una bomba, una válvula o un cilindro pueden no tener fugas en una aplicación pero tener fugas en otra. Por lo tanto, no sorprende que la mayoría de los diseñadores probablemente estén de acuerdo en que lograr cero fugas en toda la máquina requiere mucho ensayo y error.

A veces, un componente puede no tener fugas en una máquina, pero el mismo componente puede tener fugas cuando se usa en diferentes áreas de la misma máquina. Caso en cuestión: el cilindro que impulsa el primer miembro articulado del brazo de la excavadora puede no tener fugas, pero el mismo cilindro que hace girar la cuchara (en el otro extremo del brazo) puede tener fugas. La diferencia es que el cilindro que hace girar el cucharón puede experimentar fuertes picos de presión debido a golpes y cargas de choque. Por otro lado, el impacto que reciben los cilindros de accionamiento del brazo puede ser mucho menor debido a la amortiguación dentro del marco de la máquina y la mayor longitud de las mangueras.

Reducir la posibilidad de fugas

Además de usar componentes diseñados para cero fugas, los diseñadores pueden reducir la probabilidad de fugas. Esto se logra minimizando el número de conexiones, todas las cuales son posibles puntos de fuga. Una estrategia para hacer esto es integrar varios componentes en un componente personalizado. Hace unos años, las piezas diseñadas a medida solo eran prácticas cuando se contaban por miles. Pero gracias a los centros de mecanizado multieje y al diseño y la fabricación asistidos por computadora, el punto de equilibrio para las piezas diseñadas a medida puede estar muy por debajo de las 200 piezas.(Desplácese hacia abajo hasta «Beneficios de la integración de componentes» para obtener más detalles).

Otro enfoque práctico es especificar un circuito integrado hidráulico (HIC). HIC suministra fluido hidráulico a través de bloques de colector mecanizados a medida para reducir el número de puntos de fuga. Luego se instalan válvulas, interruptores y otros componentes en las cavidades del bloque perforado. Los HIC mejoran el diseño y el rendimiento en aplicaciones móviles e industriales porque no solo reducen las fugas, sino que también mejoran la confiabilidad y mejoran la resolución de problemas. Aún así, la principal razón de la popularidad de los HIC es el costo. Aunque el costo de diseñar y mecanizar un colector es alto, a menudo se compensa con los ahorros de costos generales al tener que usar menos piezas. Una instalación más rápida y fácil, combinada con una mayor confiabilidad, solo se suma a las ventajas de usar HIC.

mantener cero fugas

La segunda estrategia para lograr cero fugas es la medida de precaución para mantener el sistema libre de fugas. No se trata solo de reparar la fuga y limpiar el líquido con un trapo cuando ocurra. Los técnicos deben conocer las prácticas adecuadas a seguir para evitar situaciones que provoquen fugas.

Con este fin, muchas empresas han prohibido el uso de roscas de tubería en los nuevos diseños. Para los equipos que ya usan roscas de tubería, los adaptadores se conectan permanentemente a los puertos de los componentes para convertir la conexión a una configuración estándar sin fugas. Aun así, los efectos combinados de pulsación de presión, vibración y ciclos térmicos se aflojan con el tiempo.

Los chequeos regulares contribuyen en gran medida a prevenir problemas. Por ejemplo, si se descubre que las tapas de las mangueras están desgastadas donde la manguera roza contra los elementos de la máquina, la instalación de un manguito de desgaste puede extender la vida útil de la manguera sin fugas. Además, si la manguera se atasca ocasionalmente, la instalación de un limitador de curvatura en el extremo de la manguera puede evitar que se deshilache. Cuando un conjunto de manguera se desgasta o comienza a tener fugas, reemplazarlo con una versión con tapa antidesgaste, o cortarlo a una longitud más adecuada, puede evitar fallas prematuras y fugas en el futuro.

El sello del vástago del pistón es probablemente la parte más frágil del sistema. Se utilizan limpiaparabrisas y raspadores para limpiar el vástago del pistón a medida que se retrae en el cilindro. Aun así, incluso una pequeña cantidad de material abrasivo adherido al vástago del pistón puede causar fugas rápidamente en el sello. Cuando esto sucede, se puede instalar un fuelle o escudo para proteger la varilla de la contaminación durante la extensión y la retracción.

¿Cuál es el precio de cero fugas?

Teniendo en cuenta todas estas opciones disponibles para detener las fugas, debe quedar claro que muchas fugas se pueden prevenir. La pregunta es: ¿Es el problema de la fuga suficiente para justificar el gasto de tiempo y dinero para evitar la fuga?Esto está mejor dirigido a los usuarios finales, ya que terminan pagando al tolerar o prevenir las fugas. Como resultado, los proveedores de equipos pueden ofrecer sistemas hidráulicos sin fugas a quienes los necesitan y están dispuestos a pagar por ellos.

Los beneficios de la integración de componentes

El componente que se muestra a la derecha es la válvula de derivación del intercambiador de calor para el recogedor/pulverizador de algodón. Este componente integrado protege los sellos de la transmisión hidrostática del equipo de daños causados ​​por sobrepresión. Diseñado y fabricado por Fluid Line Products Inc. de Willoughby, Ohio, consta de una válvula de alivio en línea que se abre cuando se expone a una contrapresión de 45 psig, muy por debajo de la clasificación de 60 psig del sello.

Sin la derivación, la presión en la línea de retorno del HST puede exceder la clasificación de presión máxima del sello cuando la máquina funciona en climas fríos. Esto es común en equipos móviles porque a bajas temperaturas, el aceite hidráulico tiene una alta viscosidad, lo que puede aumentar significativamente la contrapresión de todo el sistema hidráulico.

Las válvulas de derivación evitan las fugas intermitentes al mantener la presión aplicada al sello por debajo de su capacidad máxima. Además, evita fugas permanentes al proteger el sello de una presión excesiva. La válvula de derivación también evita fugas al reducir la cantidad de accesorios de acoplamiento (puntos potenciales de fuga) en casi un 70 % en comparación con los componentes estándar.

Darko Brozovic, gerente de ingeniería de proyectos de Fluid Line Products, explicó que para replicar la válvula de derivación usando componentes estándar, se tuvieron que conectar 11 accesorios a la válvula de alivio de presión estándar. Brozovic dibujó dibujos de ensamblaje para ilustrar cómo replicar la válvula de derivación utilizando componentes estándar disponibles en el mercado.

Aunque estos componentes están fácilmente disponibles, el tiempo y el esfuerzo para ensamblarlos aumentarán significativamente el costo total de la válvula de derivación. Además, la probabilidad de fugas se triplicará con creces porque las válvulas fabricadas con componentes estándar requieren 16 accesorios de acoplamiento, en comparación con los 5 de las válvulas personalizadas.

Los componentes no solo deben ensamblarse con cuidado para evitar fugas, sino que debido a que los accesorios de la manguera deben conectarse en una orientación específica, pueden ocurrir fugas si estos accesorios tienen que reposicionarse para una alineación adecuada durante el montaje. Si una de las conexiones internas tiene fugas, se debe quitar todo el conjunto porque al apretar una conexión se afloja la otra. Por lo tanto, cualquiera de las 11 conexiones de acoplamiento podría tener fugas, incluso si una fue apretada o reposicionada.

Otros beneficios de usar una válvula de derivación personalizada incluyen un diseño más liviano y compacto y una apariencia más ordenada y limpia. Además, dado que los componentes están diseñados a medida, es más probable que los usuarios finales obtengan piezas de repuesto de los OEM. Esto no solo respalda una estrategia de «piezas originales», sino que también ayuda a garantizar que las máquinas continúen funcionando de manera más confiable. Si los usuarios reemplazan los componentes con piezas estándar, existe una mayor posibilidad de fugas o roturas, suponiendo que los usuarios puedan incluso conectar e instalar componentes improvisados.

Sin embargo, la mayoría de los diseñadores creen que los componentes personalizados, como las válvulas de derivación, no son rentables a menos que se soliciten por miles. Pero John Herzer, presidente Productos de línea de fluidos , Willoughby, Ohio, explica que no tiene por qué ser así. Hetzer dice que el punto de equilibrio para la mayoría de los componentes personalizados, incluso aquellos que son mucho menos complejos que las válvulas de derivación, es de alrededor de 175 piezas. Teniendo en cuenta los muchos beneficios de integrar múltiples componentes en un diseño personalizado, prevenir fugas es una gota en el océano.

Avances en la reducción de fugas*

Las fugas en los sistemas hidráulicos siguen siendo una razón importante por la que muchos diseñadores evitan los sistemas hidráulicos cuando necesitan especificar un sistema de transmisión de potencia. Los sistemas electromecánicos suelen ganar, aunque obviamente los hidráulicos ofrecerán una solución más práctica. La pregunta es, ¿cómo va la lucha contra las filtraciones?

Como ocurre con la mayoría de las industrias, los avances tecnológicos impregnan el éxito de los equipos aeroespaciales. El control de derrames no es una excepción. Podemos mirar a la industria aeroespacial para medir el progreso hacia los objetivos de cero fugas hidráulicas. La documentación detallada de los registros de mantenimiento de aeronaves es la razón principal de esta información.

En la década de 1950, los aviones militares experimentaban una fuga hidráulica aproximadamente cada 17,5 horas de vuelo. Para la década de 1960, la incidencia había disminuido a una vez cada 23,8 horas. Los registros más recientes de 1980 a 1996 muestran que la frecuencia de fugas se redujo a un vuelo cada 50 horas. Lo importante de este número es que la frecuencia de fugas se reduce a la mitad, incluso con un aumento de 1/3 en la presión del sistema, de 3000 psig a 4000. Las metas para los próximos 10 años exigen otra reducción a la mitad de las fugas, incluso si se espera que la presión del sistema aumente a 5000 o 6000 psi.

¿A qué se debe este éxito?No hay una única respuesta. Los avances en la tecnología de sellado y ensamblaje pueden haber sido responsables de las mejoras evolutivas, especialmente en la década de 1980. Además, las mejoras en las computadoras, el software, la instrumentación y el análisis de la información han permitido que las pruebas brinden resultados más detallados y significativos. Por ejemplo, las pruebas en el bombardero B-1 mostraron que cuando el avión estaba a velocidad de crucero, las secciones de dos líneas de alta presión casi idénticas tenían exactamente la misma frecuencia natural que la frecuencia dominante de la bomba. El rediseño de la línea de producción prácticamente eliminó la fuga.

Pero tal vez tan importantes como estos sean los cambios en la forma en que se realizan las pruebas. Anteriormente, los componentes se calificaban si pasaban pruebas específicas. Un problema con este programa es que no hay forma de evaluar el más débil de los dos componentes que compiten y que pasan la prueba de calificación. En su lugar, pruebe la pieza ahora hasta que falle. Esto revela la ventaja de una parte sobre un competidor más débil, aunque ambas pasarán las pruebas estándar realizadas dentro de un período de tiempo o número de ciclos limitado. En segundo lugar, las pruebas están diseñadas para evaluar sistemas, no solo componentes. Si lo hace, le permite evaluar las interacciones entre los componentes y dentro del sistema. Como resultado, las modificaciones de diseño del bombardero B-1 redujeron la incidencia de fugas hidráulicas de cada 4 horas a cada 40 horas en menos de dos años.

*Esta información se tomó del material presentado en el Simposio de 1999 del Comité A-6 de SAE: Tecnología de control y potencia de fluidos aeroespaciales.

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