3. Los fluidos hidráulicos modernos

 

Como se mencionado, la evolución que se va produciendo en los sistemas hidráulicos, con un creciente grado de sofisticación y rendimiento de los equipos, ha llevado consigo que las condiciones de servicio de los fluidos hidráulicos sean cada vez más severas y es de esperar que esta tendencia siga en el futuro.

Por lo tanto, las exigencias demandadas a los fluidos hidráulicos actuales son muy superiores a las del pasado y la elección del tipo adecuado resulta cada vez más crítica y de vital importancia para obtener el rendimiento deseado.

Asimismo, la aplicación de los sistemas hidráulicos ha ido en constante aumento y se ha extendido también a industrias donde existe riesgo de incendio por la proximidad de un foco de calor al circuito hidráulico. Esto originó, en su día, la aparición de los llamados fluidos hidráulicos resistentes al fuego o de seguridad. El incremento de las normas y medidas de seguridad en el trabajo han favorecido la demanda de este tipo de productos.

Por otra parte, la preocupación existente últimamente por la ecología y todo lo relacionado con la protección del entorno ha dado lugar al reciente desarrollo de fluidos hidráulicos biodegradables y compatibles con el medio ambiente.

 

3.1. Propiedades

 

Las propiedades principales que debe presentar un fluido hidráulico son:  

Si bien de forma general un fluido hidráulico debe presentar todas estas propiedades, según sea el diseño del equipo, en donde el tipo de bomba presente es un factor primordial, la aplicación y sobre todo las condiciones de servicio, unas propiedades cobrarán mayor importancia que otras y, por lo tanto, se deberán ver potenciadas.

La bomba es el componente más crítico en todo sistema hidráulico. Por una parte, determina la viscosidad óptima del fluido para que la transmisión de potencia se realice de forma eficaz y por otra, al producirse en su interior las mayores presiones locales, es donde resultan más necesarias las propiedades lubricantes. Existen tres tipos diferentes de bombas: engranajes, paletas y pistones.
En la mayoría de las bombas de pistones, el fluido opera en régimen hidrodinámico, por lo que su capacidad lubricante depende exclusivamente de la viscosidad. Además, los contactos metálicos presentes son acero-bronce y en consecuencia, deberá poseer una buena compatibilidad con los metales, tanto férreos como no-férreos. Contrariamente, en las bombas de paletas y engranajes se opera en régimen de lubricación mixta y en casi todas ellas los contactos son acero-acero, a excepción de ciertas bombas de engranajes que contienen elementos de bronce. Por esta razón, para estos dos tipos de bombas se requiere que el fluido posea unas buenas propiedades antidesgaste, sobre todo cuando trabajan a su máximo rendimiento.


El incremento de las prestaciones exigidas a los fluidos hidráulicos ha implicado que su tecnología se haya desarrollado fundamentalmente para mejorar las propiedades siguientes:

 


Estabilidad térmica y química

La oxidación de un fluido hidráulico se produce por la reacción de sus moléculas con el oxigeno del aire y se favorece con el aumento de la temperatura. Hasta los 60 °C, el proceso es lento, pero a temperaturas superiores la velocidad de reacción se acelera considerablemente. Es el factor principal que limita su duración en servicio y origina los siguientes efectos nocivos:

 


Ciertos aditivos, sobre todo los de tipo antidesgaste, pueden descomponerse a elevadas temperaturas o bien hidrolizarse por la presenciado agua y altas temperaturas. Esta degradación térmica y/o hidrolítica ocasiona la pérdida de aditivación y, por lo tanto, de propiedades antidesgaste, así como la formación de productos corrosivos e insolubles, al igual que sucede con el proceso de oxidación.
Por una parte, los productos insolubles resultantes de dichos procesos de degradación pueden llegar a obturar los filtros presentes en el circuito y/o depositarse sobre determinados componentes del mismo (válvulas, bombas, actuadores, etc.), interfiriendo sus operaciones y causando una completa inoperabilidad del sistema. Y por otra, los productos corrosivos producidos pueden atacar los metales no-férreos existentes en el circuito, principalmente el cobre y sus aleaciones, acortando la vida útil de los correspondientes componentes, como por ejemplo las bombas de pistones.
Los ensayos principales para evaluar estas propiedades son:

 


Características antidesgaste y EP

Los ensayos que tradicionalmente se han empleado para evaluar las propiedades antidesgaste de un fluido hidráulico son:

 


Sin embargo, la severidad de los servicios actuales en los equipos móviles y ciertos industriales, han obligado a determinados constructores de bombas hidráulicas a desarrollar nuevos ensayos basados en sus nuevas bombas de alto rendimiento. Los más importantes son:

 

 

Los principales ensayos sobre bombas hidráulicas se describen en la Tabla III.

El método más extendido en Europa para medir las propiedades EP de un fluido hidráulico es el ensayo FZG (DIN 51 354-2).


Tabla III. Principales ensayos sobre bombas hidráulicas

 

FiItrabilidad
Actualmente la filtración tiene una enorme importancia para el buen funcionamiento de un sistema hidráulico, especialmente en aquellos circuitos con controles electrónicos, como las modernas máquinas-herramientas. Por ello, en estos casos se precisa que el fluido hidráulico posea una buena filtrabilidad.
En todo sistema hidráulico el fluido debe ser compatible con los filtros instalados y no ha de producir la colmatación de los mismos. De hecho, la filtrabilidad es una propiedad intrínseca del fluido y está ligada a su composición (bases
+ aditivos) y a su homogeneidad (estabilidad y solubilidad de los aditivos). Algunos aditivos, particularmente los mejoradores de IV (solubilidad) y los de tipo antidesgaste (hidrólisis), pueden ocasionar problemas de filtración por la formación de un gel en la superficie de los filtros y, por lo tanto, se han de elegir cuidadosamente.
Los ensayos corrientemente empleados para determinar la aptitud a la filtración de los fluidos hidráulicos son:

 

 

3.2. Clasificación

 

Los fluidos hidráulicos se clasifican de dos formas:

Desde 1977 se ha adoptado internacionalmente para los aceites lubricantes industriales la clasificación de viscosidad dada por la norma IS0 3448-75 (Tabla IV). Esta clasificación define 18 grados de viscosidad en el intervalo 2 a 1.500 cSt (mm2/s). Cada grado se representa por un número entero que indica la viscosidad cinemática media del aceite a 40ºC y sus límites se sitúan a un ± 10 % de este valor medio. Entre dos grados sucesivos hay una diferencia de aproximadamente el 50%.

 

Tabla IV. Norma ISO 3448. Clasificación de los  lubricantes líquidos industriales en función de la viscosidad.

La clasificación más adoptada actualmente es la dada por la norma internacional ISO 6743/4, que define 17 categorías de fluidos hidráulicos (Familia H) según su naturaleza, propiedades y aplicaciones (Tabla V).

Símbolo H: hidráulico

Símbolo HF: hidráulico Fuego.

 

Tabla V. Norma ISO 6743/4. Clasificación de los fluidos hidráulicos (Familia H)

 

3.3. Tipos


Atendiendo a su naturaleza, los fluidos hidráulicos empleados actualmente en la industria se pueden dividir en los siguientes grandes grupos:



3.3.1. Aceites hidráulicos minerales

Con este nombre, o simplemente con el de aceites hidráulicos, se conocen todos los fluidos hidráulicos de base aceite mineral. Constituyen el grupo más empleado, representando aproximadamente el 90 % del consumo total de fluidos hidráulicos en la industria, debido a que satisfacen las exigencias de la mayoría de aplicaciones con una favorable relación prestaciones/precio. Su principal limitación para el servicio es que poseen una mala resistencia al fuego, por lo cual resultan inadecuados en todos aquellos casos donde puede existir riesgo de incendio y, consecuentemente, predomina el factor seguridad.


Clasificación

 

Los grados de viscosidad más representativos son: ISO VG 10, 15, 22, 32, 46, 68, 100 y 150.

La norma 150 6743/4, al igual que su equivalente francesa AFNOR NF-E-48602, define para los sistemas hidrostáticos 6 categorías de aceites hidráulicos minerales en función de sus propiedades específicas:


En EE.UU los aceites hidráulicos minerales se han clasificado tradicionalmente en dos grandes categorías:

 

A este grupo pertenecen las categorías HM y HV definidas por la norma ISO 6743/4 y sus equivalentes.

Principales especificaciones

Hasta la fecha presente no hay ninguna especificación internacional que permita fijar y cuantificar el nivel de calidad de los distintos tipos de aceites hidráulicos minerales, encontrándose únicamente en estado de elaboración un proyecto de norma ISO (Proyecto ISO N 56/1986).

En cambio, existen varias especificaciones elaboradas por determinados organismos nacionales, entre las cuales cabe destacar:

 

 

A escala europea, el CETOP (Comité Européen des Transmissions Oléo-hydrauliques el Pneumatiques) ha elaborado los proyectos de clasificación RP 75 H y especificaciones RP 91 H, los cuales son sensiblemente análogos a los adoptados por la AFNOR.

Asimismo, algunos principales constructores de bombas y equipos hidráulicos han elaborado sus propias normas y especificaciones, siendo las más importantes (Tabla VI):

 

Tabla VI. Especificaciones de los principales constructores de equipos hidráulicos


Abex Denison

HE - 0: bombas de pistones y paletas. Servicio severo:

HF- 1: bombas de pistones axiales. Servicio severo.

HF-2: bombas de paletas. Servicio severo

Sperry Vickers

M-2950-S: bombas de paletas para equipos móviles. Ensayo en bomba 35 VQ 25

I-286-S: bombas de paletas para equipos industriales Ensayo en bomba 104 C.

Cincinnati Milacron

P-38, P-54, P-55 Y P-57: Aceites R&O (HL)

P-68, P-69 y P-70: Aceites AW (HM)

 

Tipos

Hasta hace muy pocos años y siguiendo el modelo tradicional adoptado en EE.UU., únicamente se distinguían dos grandes categorías de aceites hidráulicos minerales en el mercado: los aceites R & O y AW. Con estos dos niveles de prestaciones se podían cubrir todas las exigencias de las especificaciones y servicios existentes.

Sin embargo, los últimos avances producidos en los equipos hidráulicos, con una incorporación cada vez mayor de bombas de alto rendimiento y el diseño de sistemas donde es posible encontrar una combinación de bombas de engranajes, paletas y pistones en el mismo circuito, operando todas ellas a la máxima potencia, ha hecho necesario el desarrollo de aceites hidráulicos aptos para todos los tipos de bombas en condiciones de servicio severo.

A estos aceites se les suele denominar aceites antidesgaste ‘universales” (UAW) y representan el nivel de calidad más alto existente hoy en día para los aceites hidráulicos minerales.
Los aceites antidesgaste son los que han experimentado una mayor evolución tecnológica. Los primeros tipos contenían fosfatos orgánicos como aditivos antidesgaste, siendo el fosfato de tricresilo (TCP) el más utilizado. Posteriormente, con el aumento de tas exigencias de los servicios, se adoptaron los aditivos ditiofosfatos de zinc (Zn DTP). Este aditivo es el que se ha empleado universalmente hasta nuestros días, pudiéndose distinguir tres etapas bien diferenciadas en la tecnología aplicada (Tabla VII):

  

Tabla VII. Etapas de la tecnología de los aditivos Zn DTP aplicada a los aceites hidráulicos antidesgaste


Las propiedades de los Zn DTP dependen de la naturaleza del alcohol con que se han obtenido.

Existen 3 clases diferentes:

 


En la Tabla VIII se resumen de forma comparativa las prestaciones dadas por distintos tipos de aditivos de Zn DTP disponibles actualmente. El estudio se ha realizado considerando su comportamiento en los ensayos más significativos para evaluar, tanto la estabilidad térmica e hidrolítica como las propiedades antidesgaste y EP de un fluido hidráulico.
A la vista de los resultados obtenidos se deduce que los Zn DTP alquil primarios “estabilizados” son los que presentan una mejor combinación de todas estas propiedades y los únicos que permiten cumplir todos los ensayos pedidos en las especificaciones más severas, particularmente la Denison HF-0.

 

Tabla VIII. Estudio realizado sobre distintos tipos de aditivos Zn DTP


Por lo tanto, la elección del tipo de Zn DTP tiene una influencia decisiva en el nivel de prestaciones que tendrá el aceite hidráulico que formular.

De acuerdo con la tecnología de la aditivación incorporada en su formulación, los aceites hidráulicos minerales empleados actualmente en la industria se pueden clasificar en los tres grandes grupos siguientes:

contienen aditivos inhibidores de oxidación y corrosión, antiherrumbres y antiespumantes. Si se precisa, también pueden incorporar mejoradores de IV, depresores del punto de congelación y desemulsionantes. Son compatibles con los metales férreos y no férreos, por lo que resultan especialmente indicados para todos los sistemas hidráulicos que equipan bombas de pistones, donde es frecuente la presencia de contactos acero- bronce y se opera en régimen hidrodinámico. La aditivación es del tipo “sin cenizas”.


Las principales especificaciones existentes para estos aceites son:


Denison HF-1

Cincinnati Milacron P-38, P-54, P-55 y P-57

DIN 51524 Parte 1 Categoría HL

AFNOR NF-E 48603 Categorías HL y HR

CETOP PP 91 H Categoría HL 

contienen aditivos antidesgaste, además de los citados para los tipos R&O. El aditivo universalmente empleado es el Zn DTP y concretamente los tipos alquil primario y secundario. En general se prefieren los alquil Zn DTP secundarios por su superior estabilidad a la hidrólisis. Proporcionan una excelente protección contra el desgaste en los contactos acero-acero cuando se trabaja en régimen de lubricación mixta y, por lo tanto, resultan especialmente indicados en los circuitos con bombas de paletas y/o engranajes. Sin embargo, debido a que poseen una estabilidad térmica limitada, no son adecuados para las bombas de pistones operando a pleno rendimiento, ya que pueden atacar los elementos de bronce presentes en dichas bombas, sobre todo si se llegan a alcanzar temperaturas elevadas. Estos aceites normalmente contienen un 0,06-0,09% de zinc (High-Zinc Technology).

También se pueden considerar pertenecientes a esta categoría algunos aceites formulados con aditivos basados en la química azufre-fósforo (SIP), totalmente libres de zinc. Esta aditivación es del tipo “sin cenizas” y también proporciona unas buenas propiedades antidesgaste/EP.

 
Las principales especificaciones que definen el nivel de calidad de estos aceites son:

Denison HF-2

Vickers M-2950-S

DIN 51524 Parte 2 Categoría HLP

AFNOR NF-E-48603 Categorías HM y HV

CETOP RP 91 H Categorías HM y HV

 

Estos aceites son los únicos hasta el momento que combinan de forma satisfactoria unas buenas propiedades antidesgaste/EP con una buena compatibilidad con los metales no férreos, gracias a su excelente estabilidad térmica. Son aptos para todos los tipos de bombas y, por lo tanto, resultan especialmente indicados para aquellos circuitos que contienen una combinación de bombas de engranajes, paletas y pistones. Su aditivación está basada en los denominados Zn DTP “estabilizados” y más concretamente en los alquil primarios estabilizados de cadena larga. El “paquete” completo consiste en un balance equilibrado de Zn DTP estabilizado y aditivos antioxidantes y antiherrumbres específicos. El contenido en zinc del aceite formulado es bajo, típicamente 0,03-0,06% Zn (Low-Zinc Technology).


Las principales especificaciones que definen el nivel de calidad de estos aceites son:


Denison HF-0

Vickers M-2950-S

Cincinnati Milacron P-68, P-69 y P-70

DIN 51524 Parte 2 Categoría HLP

AFNOR NF-E 48603 Categorías HM y HV

CETOP RP 91 H Categorías HM y HV

 

3.3.2. Fluidos resistentes al fuego

Como su nombre indica, a este grupo pertenecen todos los fluidos que tienen propiedades de resistencia al fuego y son aptos para el uso en sistemas hidráulicos. El término “resistente al fuego” puede producir confusiones. A menudo se ha interpretado equivocadamente como “ininflamable” y mucha gente se sorprende al observar que los fluidos resistentes al fuego pueden arder en ciertas condiciones. La definición más aceptada es: “la resistencia de un fluido a inflamarse, su rechazó a propagar la llama cuando está presente algún foco de ignición y su facilidad para apagarse cuando dicho foco se aleja”.

Estos fluidos se emplean por motivos de seguridad en aquellos casos donde hay un manifiesto peligro de incendio o explosión y, por ello, también se denominan fluidos de seguridad. La combinación de aceite mineral a presión y una fuente de calor puede suponer un gran riesgo de incendio. Una simple fuga de aceite a elevada presión en el circuito produce una pulverización del fluido que se proyecta a gran distancia y, si entra en contacto con una llama, chispa eléctrica, metal caliente, etc., la inflamación es instantánea.

 

Tipos

La resistencia al fuego puede ser debida a la presencia de agua, en forma de emulsión o de solución química, o bien a la naturaleza química de sus moléculas. Por consiguiente se pueden distinguir en los dos grandes grupos siguientes: 

Fluidos acuosos (clases HEA, HFB y HFC):

Fluidos anhidros (exentos de agua) (Clase HFD):


A este grupo pertenecen los siguientes fluidos sintéticos:


Los fluidos más empleados actualmente en la industria son las clases HFA, HFB, HFC, HFDR y entre los de la clase HFDU, sobre todo los ésteres de polialcohol. En EE.UU.también se emplean las mezclas de éster fosfórico con aceite mineral o éster carboxílico. Sus principales áreas de aplicación son: HFA y HFB en minería, HFC en fundición y los citados HFD en la industria siderúrgica.

3.3.3. Fluidos sintéticos

A este grupo pertenecen todos los fluidos hidráulicos de origen sintético que no poseen propiedades de resistencia al fuego. Se obtienen por síntesis química y están totalmente libres de aceite mineral.
Se emplean en aplicaciones muy específicas, donde un aceite hidráulico mineral no puede dar un resultado satisfactorio (por ejemplo, temperaturas muy altas o muy bajas).

 

3.3.4. Fluidos “HWBF” (High Water Base Fluid)

Como su nombre indica, estos fluidos poseen un alto contenido en agua y, entre los tipos disponibles actualmente en el mercado, cabe distinguir dos grandes grupos:    


Fluidos “95/5”(95 % de agua y 5% de materia activa)


A este grupo pertenecen los fluidos HFAE y HFAS, clasificados básicamente como fluidos resistentes al fuego. Desde el punto de vista tecnológico existen tres clases diferentes: emulsiones de aceite en agua, microemulsiones de aceite en agua y soluciones químicas.

Históricamente los primeros tipos conceptuados como “HWBF” fueron las emulsiones de aceite en agua, empleadas desde hace mucho tiempo en minería (transmisiones hidrostáticas). En estos últimos años se ha producido un importante desarrollo en este grupo de productos, dirigiéndose las nuevas tecnologías hacia los fluidos tipo microemulsión y solución química. Ello ha significado un fuerte impulso en sus aplicaciones, sobre todo en EE.UU y concretamente en la industria del automóvil (máquinas-herramientas). El interés de estos fluidos no es únicamente por motivos de seguridad (ininflamabilidad), sino más bien por razones económicas (95% de agua).


Los fluidos “
95/5presentan las siguientes características:
 


Sin embargo, presentan el inconveniente de que su viscosidad es muy similar a la del agua (aprox. 1 cSt a 40 °C) y, por consiguiente, demasiado baja para asegurar una buena lubricación con el material corrientemente empleado en los equipos hidráulicos. Así pues, para su aplicación se requiere que los sistemas estén adaptados a este tipo de fluidos.


Actualmente se utilizan en aplicaciones con pocas exigencias:
 

Fluidos espesados

 

Recientemente se han desarrollado polímeros solubles en agua, con buena resistencia al cizallamiento y que, en pequeñas proporciones, permiten formular “HWBF” con las viscosidades más típicas de los fluidos hidráulicos (ISO VG 32, 46 y 68). El contenido en agua de este tipo de fluidos puede variar entre aproximadamente un 80 % (ISO VG 32) y un 75 % (ISO VG 68). Evidentemente, el logro de viscosidades más altas requiere una mayor concentración de polímero.

La posibilidad de alcanzar un amplio rango de viscosidades mediante estos polímeros ha incrementado el campo de aplicaciones de los “HWBF”.


3.3.5. Fluidos biodegradables o compatibles con el medio ambiente

La sensibilidad existente últimamente por todo lo referente a la ecología y protección del entorno ha originado el reciente desarrollo de fluidos hidráulicos que no producen ningún tipo de contaminación, debido a que son fácilmente biodegradables. Estos fluidos, denominados “biodegradables” o “compatibles con el medio ambiente”, resultan especialmente indicados en todas aquellas aplicaciones donde los residuos pueden causar efectos adversos en el medio ambiente. Como ejemplos típicos se pueden citar: maquinaria forestal, equipos de dragado y, en general, todos los equipos de trabajo de aguas donde exista riesgo de que el fluido entre en contacto con el agua y la pueda contaminar.


Existen dos tipos principales:

 


Asimismo, también hay en el mercado fluidos basados en aceites vegetales, pero su uso se encuentra muy limitado por su débil resistencia a la oxidación.
 

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