Transmisiones Hidráulicas en Maquinaria agrícola. Elementos y funcionamiento
En este artículo hablaremos de las transmisiones hidráulicas que se encuentran en los tractores y máquinas agrícolas. Veremos que son, sus ventajas, como funcionan y también sus principales elementos.
1. ¿Qué es una transmisión hidráulica?
Una transmisión hidráulica es el conjunto de elementos que se utilizan para transmitir potencia desde el motor hasta distintas partes de la máquina, como pueden ser el elevador hidráulico trasero de un tractor, una pala cargadora situada en la parte de delantera o cualquier otro apero de accionamiento hidráulico.
En el caso del tractor, dicha potencia se transporta gracias al aceite mineral que circula a través de las pequeñas tuberías del circuito de la transmisión.
2. Ventajas de las transmisiones hidráulicas frente a las mecánicas
Este tipo de transmisiones hidráulicas presentan las siguientes ventajas respecto a las transmisiones mecánicas:
- Facilidad de manejo de los mandos.
- Gran precisión en control de las acciones.
- No es necesario hacer engrases y lubricaciones periódicas.
- Mayor seguridad al carecer de cadenas, engranajes, poleas y otras piezas en movimiento.
- Alto grado de fiabilidad.
- Ausencia de inercia: se puede detener o invertir el movimiento instantáneamente.
- Adaptación de las tuberías a la geometría de la máquina.
3. Inconvenientes de las transmisiones hidráulicas frente a las mecánicas
Las transmisiones hidráulicas no solo tienen ventajas, también tienen los siguientes inconvenientes respecto a las transmisiones mecánicas:
- Menor rendimiento.
- Suciedad provocada por el aceite al producirse alguna avería o al cambiar el aceite usado.
- Necesidad de contar con mecánicos especializados.
4. ¿Cómo funciona una transmisión hidráulica?
Las transmisiones hidráulicas son circuitos por donde circula el aceite. El punto de partida es el depósito, el elemento que le transfiere energía al aceite es la bomba, y luego este aceite, con su presión y caudal, circula y va accionando diferentes elementos del circuito, como por ejemplo los motores o los cilindros.
Para facilitar su representación gráfica en dos dimensiones se suelen dibujar de una forma lineal y con varios depósitos, aunque en realidad suele haber solo un depósito, que se repite en varios puntos del esquema.
Para regular el paso del aceite a los elementos que queremos accionar, y controlar por donde circula, se utilizan las válvulas distribuidoras. Para que la presión no sobrepase ciertos límites se utilizan válvulas limitadoras o reguladoras de presión, y para retener las impurezas y evitar que circulen por el circuito se utilizan los filtros. Introduciendo estos elementos, podemos realizar un esquema mas completo y realista de como son los circuitos hidráulicos en las máquinas agrícolas.
5. Elementos de una transmisión hidráulica
Así pues para que una transmisión hidráulica funcione, es necesario instalar una serie de elementos. Los principales son los siguientes:
- Depósito
- Bombas
- Cilindros
- Motores
- Distribuidores
- Válvulas de seguridad
- Válvulas reguladoras de caudal
- Acumuladores.
Estos son los elementos más importantes, pero ello no implica que estén presentes todos siempre en los sistemas hidráulicos.
La estanqueidad es asegurada mediante tuberías, piezas en T, codos, juntas tóricas y arandelas. Estos elementos son capaces de soportar las presiones que el fluido encuentra es su camino.
5.1. El Depósito
El depósito contiene el aceite que no está circulando por el circuito. La tubería de aspiración sale del depósito conduciendo el líquido hasta la bomba. Y entrando en el depósito están las tuberías de retorno del aceite.
La capacidad del depósito está en función de la demanda de la bomba, y del volumen que en determinados momentos puede acumularse en los elementos el circuito. Por tanto, el contenido en el deposito disminuirá o aumentará.
En la tapa del depósito hay un respiradero, por el cual entra y sale el aire, permitiendo que el nivel de líquido del interior pueda aumentar o disminuir.
La tubería de aspiración debe estar a cierta altura para no absorber las impurezas, pero más baja que el menor nivel que pueda tener el depósito.
Las tuberías de retorno también deben desembocar por debajo del nivel más bajo que pueda tener el aceite, pero deberá estar lo más alejada posible de boca de la tubería de aspiración, para que no se aspire el aceite que se acaba de retornar del circuito, pues circularía siempre el mismo aceite, por lo que esa fracción se degradaría antes que lo que permanecería en el depósito y el sistema sería mas susceptible a sobrecalentamientos, pues una de las funciones del depósito es refrigerar el aire.
Aquellas tuberías de drenaje que llevan el aceite procedente de fugas deberán desembocar por encima del nivel del aceite, siendo el chorro lo más delgado posible y arrastrando poco aire.
Gracias al depósito se elimina el calor absorbido por el circuito. Por tanto, las paredes laterales deben ser lo más delgadas posibles, para la transmisión del calor al exterior. El fondo y la tapa suelen ser gruesos para mantener la rigidez.
Accesorios del depósito
- Un filtro en la tapa para que el aire no tenga impurezas. Pero el resto del depósito debe ser hermético, para impedir la entrada de aire sin filtrar.
- Diafragma interno para separar la tubería de retorno, y la de aspiración.
- Orificio para el vaciado en el fondo.
- Indicador de nivel.
- Termómetro
- Llave de paso en la tubería de aspiración.
- Filtros para retener partículas.
- Radiadores o intercambiadores de calor que regulan las temperatura del líquido.
Cuando se necesita comunicar puntos entre los que hay desplazamiento se utilizan tuberías flexibles, que también son capaces de amortiguar las vibraciones. Para unir puntos del circuito que mantengan la misma posición, se utilizan tuberías rígidas.
En los extremos de los tubos rígidos y de las mangueras flexibles se montan unos acoplamientos o terminales denominados racores. Y en los cuerpos de las bombas, motores y en los otros elementos se instalan adaptadores para conectar dichos racores.
5.2. Bombas
Las bombas transforman la energía mecánica en energía hidráulica, provocando la circulación del aceite. Las bombas o grupos de bombas, suelen estar instaladas cerca del depósito, a una cota inferior o a su mismo nivel. Esto es así para que el líquido sea aspirado fácilmente, y el caudal sea suficiente para satisfacer la demanda de la bomba. Por tanto, la tubería de aspiración debe ser corta y con una sección amplia y recta.
Los tipos de bombas que más se utilizan en las transmisiones hidráulicas de las máquinas agrícolas son las siguientes:
- Bombas de engranajes.
- Bombas de paletas.
- Bombas de pistones.
Todas ellas son volumétricas, ya que reducen poco el caudal cuando aumenta la presión. Tiene una buena hermeticidad, con pocas fugas internas, y la masa líquida se divide en porciones pequeñas en el interior de las bombas. Pero su caudal no es uniforme, porque tiene vibraciones o pulsaciones.
Las bombas van a determinar el caudal que circula por el circuito. La presión, depende de las resistencias que el aceite debe vencer en su camino del regreso al depósito o a la aspiración. En función del trabajo que se vaya ha realizar, el aceite tendrá mucha presión si tiene que realizar un gran trabajo, y poca presión si puede recorrerlo con facilidad.
Podemos encontrar bombas: con un sentido de aspiración y cilindrada constante o cilindrada variable, reversibles y de cilindrada constante o cilindrada variable.
La cilindrada de una bomba es el volumen que cada pistón aspira en media revolución e impulsa la otra media, en relación con el numero de pistones, en el caso de las bombas de pistones.
Una bomba reversible es aquella que está preparada para que impulse el líquido por cualquiera de las dos tuberías, de modo que la tubería que en un momento es de aspiración pase a ser de impulsión, y viceversa. Se instalan circuitos cerrados, donde el retorno del líquido que ha recorrido el circuito es reaspirado por la misma bomba en vez de regresar al depósito. Estas bombas se suelen construir de pistones axiales con plataforma oblicua.
5.3. Cilindros
Los cilindros son actuadores donde el aceite realiza un trabajo y cede parte de la energía que le ha proporcionado la bomba. En ellos se producen movimientos rectilíneos alternativos, ejerciendo una fuerza sobre el punto donde el extremo del vástago está unido algún elemento mecánico móvil.
5.4. Motores hidráulicos
Los motores transforman la energía hidráulica en mecánica. Tienen la constitución interna casi idéntica a las bombas. En muchas ocasiones hay elementos del circuito hidráulico que pueden funcionar como bombas o como motores. No existen diferencias constructivas, sino funcionales.
Como comentamos anteriormente en los tipos de bombas, los motores también pueden ser de engranajes, de paletas o de pistones. Solo se diferencian en el funcionamiento. A los motores les llega una corriente de líquido, al encontrar su camino bloqueado, lo impulsa provocando el giro de su eje. El giro es aprovechado para hacer un trabajo, como por ejemplo generar las sacudidas de un vibrador de troncos como los que se utilizan en la recolección del olivar.
La cilindrada de un motor hidráulico es el volumen de líquido que entra en el motor y lo atraviesa para que su eje dé una vuelta.
Un motor reversible es aquel que cambia tanto el sentido de entrada y salida del líquido, como el sentido de giro de su eje. Un motor funciona como reversible si el circuito está diseñado para que así sea.
5.5. Distribuidores en las transmisiones hidráulicas
Los circuitos de una transmisión hidráulica cuentan con una o varias válvulas distribuidoras o distribuidores, para dirigir el aceite hacia el lugar donde se necesite en cada momento, cuyo funcionamiento está controlado por el conductor o se activa automáticamente. Es necesario instalar un distribuidor por cada cilindro, motor o grupo de ellos que estén acoplados entre sí.
El aceite que llega desde la bomba puede seguir varias trayectorias por el interior del distribuidor, y saldrá por una vía diferente según el camino que encuentre abierto. Una corredera es una barra cilíndrica con tramos de diferentes diámetros, encargada de dirigir el paso de aceite al deslizamiento por el interior del distribuidor. Estas correderas pueden tener diverso número de posiciones, y el líquido seguirá una trayectoria diferente en cada posición, lo más normal son de tres posiciones, pero las hay hasta de cinco.
El número de posiciones es el número de recorridos diferentes que el aceite puede seguir al pasar por el distribuidor, y por tanto el número de funciones que podrá realizar el cilindro o motor al que está conectado.
La fuerza que se aplica sobre el extremo de la corredera para su desplazamiento, puede tener diversos orígenes: puede ser mediante palancas accionadas manualmente o mediante pequeños motores eléctricos que reciben las ordenes de una unidad de control electrónico (ECU).
Los distribuidores pueden tener o no retención, es decir, la corredera puede permanecer en sentido de seguir enviando el aceite hacia el cilindro o retornar a la posición neutra. En los distribuidores con retención, la corredera se mantiene en la posición en que se ha dejado. Y en los que no presentan retención, la corredera regresa rápidamente.
Distribuidores de centro abierto y centro cerrado
En dichos distribuidores, se observa una diferencia en la posición central (posición neutra, ya que no se envía líquido al cilindro o motor).
Los distribuidores de centro abierto, son aquellos que cuando están en posición neutra, el líquido que llega desde la bomba atraviesa el distribuidor y continua hacia otro punto del circuito hidráulico. Cuando no se está enviando aceite a ningún cilindro o motor, el camino de regreso al depósito está libre. El aceite no encuentra resistencias en su camino y su presión a la salida de la bomba es casi nula. Al accionarlo para realizar un trabajo, el aceite aumenta su presión para vencer las resistencias.
Cuando son de centro cerrado, el aceite tiene el paso cortado y no puede seguir avanzando por el circuito. Cuando no trabaja ningún órgano la presión del aceite es muy alta. Si la bomba sigue suministrando caudal, el aceite escapará por la válvula de seguridad, abriéndola cuando adquiera la presión necesaria. Al enviar el aceite hacia un cilindro o motor, la presión descenderá.
Agrupaciones de distribuidores
Se suelen utilizar en las transmisiones hidráulicas cuando el circuito tiene varios cilindros o motores que deben funcionar independientemente. Así se enviará el caudal correspondiente en cada momento.
El conjunto de válvulas distribuidoras se suele montar en bloque. En su entrada se conecta una tubería procedente de la bomba y a la salida la tubería de retorno al depósito. Estas agrupaciones pueden estar acopladas entre sí en serie o en paralelo.
5.6. Válvulas de seguridad
En todo circuito hidráulico, es imprescindible incorporar válvulas de seguridad o también llamadas válvulas reguladoras de presión, ya que el aceite lleva presión para vencer las resistencias que encuentra por el avance del circuito.
Con dichas válvulas de seguridad se evita que la presión en un circuito suba por encima de cierto valor, si el líquido aumenta la presión a ese limite, la válvula abre una vía por la cual el aceite va al depósito. La energía del aceite antes de la válvula debida a la presión se transforma en calor. En cada circuito debe haber a menos una de ellas.
Está válvula se monta en derivación en la tubería principal, y suele ser el primer elemento instalado en el circuito después de la bomba.
5.7. Válvulas reguladoras de caudal
En los circuitos de las transmisiones hidráulicas, suele ser necesario controlar la velocidad del deslizamiento del vástago de un cilindro o las revoluciones del eje de un motor. Esto se puede hacer regulando el caudal que les llega mediante una o más válvulas, ya que las características constructivas de los cilindros y del motor no se pueden modificar, excepto los motores de cilindrada variable.
Las válvulas están diseñadas de tal manera que tienen un estrangulamiento o estrechamiento que restringe el flujo de aceite que las atraviesa. La sección del estrangulamiento puede ser fija o variable.
Es necesario que la bomba impulse un caudal superior al que debe pasar por la válvula. El resto se deriva al depósito u otras partes del circuito.
En las válvulas con un único estrangulamiento, el caudal cambia si lo hace también la presión del líquido. Dichas válvulas reguladoras pueden montarse en la línea de entrada del elemento a controlar, en la salida o en derivación a la entrada.
La presión a la salida del estrangulamiento será la necesaria para que el aceite pueda vencer las resistencias que encuentre en su avance. El caudal en exceso que es impulsado por la bomba se desvía, por la válvula de seguridad, como consecuencia la presión antes del estrangulamiento es la presión de la válvula de seguridad.
5.8. Válvulas de un solo sentido
Las válvulas de un solo sentido permiten que el líquido pueda pasar únicamente en una sola dirección, impidiéndole el paso en el sentido contrario. Son instaladas en línea en las tuberías en las que se quiere que el aceite no pueda retroceder. Por tanto el aceite solo puede circular en el sentido que le permiten este tipo de válvulas.
También se les llama válvulas unidireccionales, válvulas de retención o válvulas antirretorno. Su constitución consta de un pistón esférico o troncocónico que es empujado contra su asiento por un muelle poco tenso.
Estas válvulas evitan que las tuberías y los depósitos se vacíen, y las bombas reciban un flujo en sentido inverso.
5.9. Asociación de válvulas en transmisiones hidráulicas
Es muy habitual que se fabriquen en bloques en cuyo interior hay una válvula de un solo sentido y otro tipo de válvulas, acopladas entre sí en paralelo, como por ejemplo válvulas de regulación de caudal o de regulación de presión. Este acoplamiento resulta interesante cuando se desea restringir de diferente forma la circulación en cada sentido.
Con este planteamiento, se pueden hacer diferentes regulaciones:
- Regulación del caudal en un sentido
- Regulación de la presión en un sentido
- Válvula antirretorno doble
5.10. Acumuladores de las transmisiones hidráulicas
Los acumuladores en los circuitos hidráulicos son unos recipientes para almacenar líquido a presión o liberarlo, dependiendo del funcionamiento. De tal manera que se puede conseguir:
- Tener una reserva de aceite para cuando sea demandado
- Proporciona suspensión o amortiguación
- Reduce los golpes de ariete
- Compensa las variaciones de volumen
- Amortiguar pequeñas oscilaciones de caudal o presión
Siempre se montarán en derivación. El interior está ocupado parcialmente por aceite y el resto por un gas (nitrógeno) encerrado en una membrana elástica.
El líquido entra cuando la presión en la tubería aumenta. Cuando dicha presión en la tubería desciende y es menor que la del líquido almacenado, este sale continuando con el resto del caudal.
Por tanto, si el líquido ocupa mucho volumen en el interior del acumulador, su presión es alta. Por el contrario, la presión es baja cuando el contenido de líquido en el acumulador es pequeño.
6. Ejemplo de circuito hidráulico
En el circuito de la figura, podemos observar algunos de los diferentes elementos que hemos comentado anteriormente. Del depósito sale un determinado caudal demandado por la bomba. Con una presión para poder vencer las resistencias que se encuentre en el recorrido del circuito. En derivación se encuentra la válvula de seguridad que se abrirá cuando la presión del circuito supere el limite.
En el circuito hay un distribuidor de tres posiciones en la posición neutra con centro abierto. El líquido que llega desde la bomba atraviesa el distribuidor y continúa hacia otro punto del circuito, como el depósito.
Por último el elemento que se quiere accionar es un cilindro de doble efecto, controlado por el distribuidor, y la válvula de un solo sentido y la válvula de seguridad. Así se puede controlar que el vástago pueda subir o bajar.
7. Referencias
Si desea saber más sobre transmisiones hidráulicas, le recomendamos este libro:
Gil Sierra, J. (2014). Elementos hidráulicos en los tractores y máquinas agrícolas. Ediciones Paraninfo, SA.
En la elaboración de este artículo también ha participado María Escribano Larripa.
Revisado por: Prof. Dr. Luis Ruiz García el 11/02/2023