Un estudio examina los fluidos multietapa para equipos forestales

Equilibrar el rendimiento y el costo puede ser un desafío al seleccionar cualquier producto, incluidos los fluidos hidráulicos. Identificar precios bajos es simple, pero otros problemas pueden ser complejos:
¿El fluido cumple con las pautas de desempeño para la aplicación?
¿Funcionará a las temperaturas extremas que el sistema podría ver?
¿Minimizará los costes de mantenimiento?

¿Cómo pueden los diseñadores encontrar respuestas significativas a estas preguntas?Un buen punto de partida es determinar la viscosidad adecuada del fluido, un factor clave en el rendimiento del sistema hidráulico. Los fluidos deben transmitir potencia y lubricar las piezas móviles en todo el rango de temperatura de funcionamiento del sistema. El fluido debe ser lo suficientemente delgado para fluir a bajas temperaturas de arranque y lo suficientemente espeso para mantener una película lubricante protectora en la bomba a las temperaturas máximas de funcionamiento. Los sistemas que funcionan con fluidos que son demasiado espesos o demasiado delgados pueden experimentar una respuesta lenta o un mal funcionamiento.

Se llevó a cabo un estudio a largo plazo en equipos forestales canadienses para comparar el rendimiento de los aceites hidráulicos de grado único (estacional) y multigrado (durante todo el año).1Este entorno y aplicación proporciona una combinación desafiante de temperatura ambiente y de funcionamiento donde la viscosidad adecuada es fundamental para minimizar el tiempo de inactividad y maximizar la rentabilidad.

Etapa única y multietapa

Los fluidos de una sola etapa suelen ser una opción de bajo costo. Son ideales para operación en interiores o sistemas donde las condiciones de operación moderadas producen solo cambios menores en la temperatura del fluido. Es deseable una ventana de operación de temperatura estrecha porque los cambios de viscosidad del fluido son pequeños y el sistema puede operar de manera muy eficiente.

Los fluidos multietapa tienden a ser un poco más caros, pero ahorran dinero cuando se consideran los costos de mantenimiento y eliminación. Los fluidos multietapa tienen una ventana operativa de temperatura (TOW) más amplia, que a menudo se requiere para operar al aire libre o en sistemas de trabajo duro donde el fluido absorbe y retiene el calor.

Una bomba hidráulica típica convierte aproximadamente el 20 % de la potencia de entrada en calor;2Por lo tanto, la mayoría de los fluidos operan a altas temperaturas. Hay muchos factores de diseño del sistema que determinan si un fluido puede disipar el calor adecuadamente para mantener una viscosidad óptima, y ​​otros factores como la liberación de aire, la formación de espuma, la absorción de agua y la filtración también juegan un papel. Un buen sistema se diseña teniendo en cuenta estos factores, pero las duras condiciones del sitio a veces pueden afectar un buen diseño. Las temperaturas del aire ambiente altas o bajas presentan desafíos severos y cargas de trabajo exigentes que ponen a prueba las capacidades de diseño del sistema.

En un estudio realizado por el Instituto de Investigación de Ingeniería Forestal de Canadá (FERIC) sobre las operaciones durante todo el año en Kapuskasing, Ontario,3Las entrevistas con contratistas regionales indican que no hay problema con la selección de fluidos que cumplan con las pautas del OEM, pero no está claro si estos fluidos son realmente óptimos dadas las condiciones de operación locales y las prácticas de mantenimiento. Se supervisó una variedad de equipos de muchos de los principales proveedores, incluidos: cosechadoras, desramadoras, niveladoras, transportistas, limpiadores y taladores.

El TOW de cualquier sistema hidráulico se puede determinar examinando los requisitos de la bomba. Esta información se puede obtener poniéndose en contacto con el fabricante de la bomba, o se puede encontrar un resumen de muchas especificaciones de fluidos de la bomba en el documento técnico reciente de Herzog.4.Las especificaciones típicas para fluidos hidráulicos utilizados en equipos forestales canadienses requieren que los fluidos hidráulicos no tengan más de 5000 cSt de espesor o 10 cSt diluidos. Estos criterios dan como resultado los límites de temperatura de funcionamiento enumerados en la Tabla 1.

temperatura del mundo real

Las temperaturas ambientales en Kapuskasing alcanzan ocasionalmente -40 °C en las noches de invierno y alcanzan un máximo de 35 °C en las tardes de verano. Por lo general, las temperaturas de funcionamiento de los fluidos suelen ser de 40° a 60° C por encima de la temperatura ambiente, pero no es raro que los fluidos alcancen un máximo de 100° a 115° C por encima de la temperatura ambiente durante las operaciones de invierno y verano. Las temperaturas del aceite se miden en el rango de -29° a 135° C durante todo el año, Figura 1. Estos extremos de temperatura del fluido requieren la rotación de varios fluidos hidráulicos de un solo grado en servicio, o uno circular de fluido hidráulico multigrado al año.

El fluido de una sola etapa de invierno proporciona un arranque rápido y una excelente respuesta a bajas temperaturas. Desafortunadamente, no brindan una protección de lubricación adecuada si la temperatura del fluido supera los 65°C. La temperatura promedio de operación en invierno para la mayoría de los sistemas hidráulicos estudiados fue de alrededor de 50° a 60°C, pero también hubo ciclos diarios de alta temperatura más prolongados en los que la temperatura del fluido fue más alta. demasiado delgado.

¿Importa?El equipo no se detuvo ni dejó de funcionar, pero hubo una pérdida de productividad y un mal estrés en el equipo. Las bombas hidráulicas requieren fluidos con niveles de viscosidad mínimos para evitar fugas internas significativas (reflujo), lo que puede resultar en una transferencia de fluido reducida a los actuadores hidráulicos. El flujo de fluido lento significa una respuesta lenta y una productividad reducida del equipo. Cuando el caudal disminuye, el operador generalmente empuja la bomba para que trabaje más, lo que genera más calor y diluye el fluido. Este ciclo desagradable puede causar un desgaste severo y, en última instancia, acortar la vida útil de la bomba.

La investigación ha demostrado que en la mayoría de los equipos forestales monitoreados, los fluidos hidráulicos funcionan a temperaturas mucho más altas de lo esperado. Este problema se puede resolver si el sistema proporciona una capacidad de enfriamiento adecuada y se seleccionan fluidos con la viscosidad adecuada para minimizar la generación de calor debido a fugas internas de la bomba.

Por el contrario, el uso de fluidos hidráulicos aptos para el verano puede ser un problema en otoño y primavera, cuando las temperaturas descienden ocasionalmente por debajo del punto de congelación durante la noche. A esta temperatura, los fluidos de grado de verano se espesarán por encima de los 5000 cSt, lo que dificultará los arranques matutinos. Las bombas hidráulicas requieren un flujo de fluido suficiente para mantener una presión de succión de 70 a 80 kPa. Cuando el fluido es demasiado espeso, puede ocurrir cavitación en la entrada, lo que provoca un desgaste severo de la bomba y una respuesta lenta del sistema. Los operadores informan que los arranques lentos en las mañanas frías son comunes, lo que requiere de 15 a 30 minutos de cambio lento de la válvula de control para calentar el fluido y mantener la presión de succión por encima de un mínimo.

Los aceites hidráulicos multigrado ofrecen un TOW amplio porque contienen polímeros que actúan como mejoradores del índice de viscosidad. Los fluidos hidráulicos multigrado premium están formulados con polímeros estables al cizallamiento que no se degradarán en el servicio de fluidos hidráulicos. Los fluidos estables al corte tienen una larga vida útil en servicio de alta presión. Otros fluidos multigrado, como el aceite de motor o el fluido de transmisión automática (ATF), no están diseñados para servicio de alta presión y no funcionan bien en sistemas hidráulicos.(Algunos operadores han declarado que a veces usan aceites ATF en sus sistemas hidráulicos, pero no se recomienda esta práctica). Todos los aceites hidráulicos evaluados en este estudio exhibieron una buena estabilidad al corte y una viscosidad constante durante la característica de prueba.

Uno de los desafíos de usar fluidos de una sola etapa de bajo costo es programar los cambios de fluidos.¿Cuándo termina el invierno y comienza el verano?Debido a los patrones climáticos estacionales, por lo general no es conveniente dejar el dispositivo fuera de servicio. Sin embargo, es mucho mejor realizar el mantenimiento cuando está en línea con un cronograma de trabajo u otro evento de mantenimiento planificado. Algunos operadores intentan hacer cambios de fluidos en el campo para minimizar el tiempo de inactividad, pero esto crea otros problemas, como derrames de fluidos y eliminación de desechos. Los cambios de aceite en el campo rara vez son tan completos como en un taller de mantenimiento.

Es extremadamente difícil drenar el fluido de todo el sistema cuando se realizan cambios de fluido en cualquier lugar. Este estudio mostró que solo del 45 % al 55 % del fluido se drenó cuando se reemplazó un fluido de una sola etapa, lo que significa que el fluido en el sistema se convirtió en una mezcla viscosa con límites operativos desconocidos. La figura 2 muestra las curvas de viscosidad de los nuevos fluidos de una sola etapa, así como la mezcla 50/50 que se encuentra normalmente después de los cambios de fluido. Por supuesto, es posible drenar el fluido restante manipulando el cilindro y las líneas y lavando el sistema varias veces con fluido nuevo. Sin embargo, esta práctica es costosa, requiere mucho tiempo y rara vez se realiza.

Dadas las tasas de reposición medidas, el estudio también mostró que se necesitarían aproximadamente seis meses de fugas y reposición para devolver el fluido al nuevo rango de viscosidad del fluido. Sin embargo, una vez que se alcanzó eso, el clima dictó que era hora de cambiarlo a fluido nuevamente. Este es un ciclo altamente indeseable con un rendimiento de fluido persistentemente ineficiente. Además, cuando se usan múltiples fluidos, el riesgo de contaminación cruzada aumenta con las recargas semanales.

Aunque el volumen de fluido consumido por los fluidos de una o varias etapas durante el funcionamiento normal es constante, debido a los cambios de fluido más frecuentes (cada cambio requiere el uso adicional de lavado para minimizar los efectos de dilución de la viscosidad). Los mayores costos e impactos ambientales asociados con esta práctica no son deseables.

costo real

Al final de la prueba, se puede calcular el costo de usar cada fluido. Se seleccionaron tres madereros y tres calificadores para una evaluación detallada. Se usaron los tres tipos de fluido hidráulico para cada unidad y se registró la tasa de fuga/relleno para cada unidad. La Tabla 2 muestra el costo total de aceite hidráulico, mantenimiento y eliminación por unidad.

En conclusión

La investigación de FERIC concluyó que el uso de fluidos hidráulicos multigrado es un factor para mantener el funcionamiento del equipo forestal dentro del rango de viscosidad óptimo y brindar una respuesta constante y protección de la lubricación. El uso de un solo fluido garantiza un rendimiento de temperatura de viscosidad predecible ya que se evitan las mezclas de fluidos.

Los fluidos de una sola etapa son una opción aceptable de bajo costo si el hardware puede proporcionar un enfriamiento de fluidos y un control termostático excelentes. Los fluidos de una sola etapa también se pueden usar temporalmente si las tasas de fuga son altas y se requieren fluidos de menor costo antes de la reparación.

Los fluidos hidráulicos multigrado son la opción preferida de bajo costo/alto rendimiento cuando se encuentra un amplio rango de temperatura de funcionamiento. Al eliminar los cambios de fluidos semestrales y cambiar a intervalos de cambio de fluidos anuales (o más largos), los costos de mantenimiento, eliminación y tiempo de inactividad se pueden reducir significativamente.

Doug Placek es Gerente de Producto Global para RohMax USA (ahora Evonik Industries) en Filadelfia. Para mayor información por favor visite www.evonik.es .

Referirse a

1Placek, DG, Hyndman, CW, Kinker, BG y Simko, RP, «Comparación de fluidos hidráulicos de etapa única y etapa múltiple», Informe oral de IFPE 2000, Chicago, 4 de abril de 2000.

2Schneider, Richard T., Revista de hidroneumática, vol.52, núm. 11, 11/99, p.47.

3Makkonen, I., «Rendimiento estacional y durante todo el año de fluidos hidráulicos en maquinaria forestal», Nota técnica FERIC TN-251, 12/96.

4Herzog, Stephen N., Michael, Paul W., Marougy, Thelma E., «Criterios de selección de viscosidad de fluidos para motores y bombas hidráulicas», Publicación de NFPA, I00-9.12, abril de 2000.

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