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El sistema hidráulico no puede funcionar sin componentes esenciales como bombas hidráulicas, válvulas hidráulicas, motores hidráulicos y cilindros hidráulicos. Alguien podría preguntar: dado que el agua está disponible en todas partes y es económica, ¿podemos utilizarla directamente en lugar del aceite hidráulico?
La respuesta es: teóricamente, puede funcionar, pero las consecuencias no son ideales. Es como usar una bicicleta convencional para remolcar un camión: puede desplazarse unas cuantas veces, pero no espere un rendimiento ni una vida útil adecuados. A continuación, analizamos las razones desde cinco aspectos.
1. Lubricación insuficiente
Principio: El aceite hidráulico forma una película estable de aceite sobre la superficie metálica (lubricación fluida / lubricación fluida elástica), transformando el contacto directo entre metales en una cizalladura "aceite-aceite", lo que reduce considerablemente el desgaste y la generación de calor. El agua apenas forma una película, y su capacidad de lubricación límite es prácticamente nula.
Escala de referencia: Viscosidad dinámica del agua a 20 ° Do ≈ 1 MPa · s; La viscosidad dinámica del aceite hidráulico ISO VG 32 a 40 ° °C es aproximadamente de 25–30 mPa · s (con ligeras variaciones según la densidad). El agua es 20–30 veces más fluida que los aceites hidráulicos comúnmente utilizados.
Áreas propensas a problemas:
Desgaste, mordedura y agarrotamiento de la placa lateral o de las superficies dentadas de la bomba de engranajes;
Rayado y coloración azulada en la superficie de fricción entre la punta de las paletas de la bomba de paletas y el anillo fijo;
Fricción seca en la superficie de acoplamiento entre el cilindro del émbolo y el pistón, así como en la superficie de deslizamiento de la zapata de la bomba de pistones inclinados;
El pequeño juego entre el núcleo de la válvula y el cuerpo de la válvula (del orden de unos pocos micrómetros) puede volverse "deshilachado" y quedar atascado tras la pérdida de lubricación.
Ejemplo
Realice una prueba de funcionamiento con una bomba de émbolo de bajo caudal a 25 MPa utilizando agua limpia; incluso sin carga, puede producirse un rápido aumento de temperatura y un ruido anormal intenso en cuestión de decenas de minutos a horas. Tras la inspección, se observó que la superficie de la zapata deslizante presentaba arañazos y que la superficie terminal del émbolo tenía manchas negras y azules.
Si la bomba de paletas pierde la película de aceite, tras varias horas de funcionamiento emitirá un silbido agudo y no alcanzará la presión nominal. Tras su desmontaje, se observarán «ranuras» evidentes en los bordes de las paletas.
2. Problemas de corrosión
Principio: El agua contiene oxígeno disuelto y electrolitos, lo que favorece la corrosión electroquímica; asimismo, promueve la corrosión por picaduras y la corrosión por grietas. El agua también puede provocar que los materiales comunes de sellado o elásticos (como el NBR, el PU, etc.) absorban agua y se expandan, acelerando así su envejecimiento.
Áreas propensas a problemas: corrosión por picaduras en la superficie de contacto entre el núcleo de la válvula y el cuerpo de la válvula → adherencia y arrastre; la capa cromada sobre la varilla del pistón del cilindro de aceite está corroída y el labio de sellado se ha afilado; corrosión en la placa lateral y la pared interna de la carcasa de la bomba de engranajes → partículas abrasivas que entran en circulación; el elemento de sellado (NBR/PU) absorbe agua, reduce su dureza y experimenta cambios dimensionales, lo que provoca un aumento de las fugas. Ejemplo: si los equipos al aire libre no se drenan y secan oportunamente tras quedar sumergidos en agua, el núcleo de la válvula puede desarrollar óxido superficial en un plazo de tres a cinco días, manifestándose como una respuesta retardada y vibraciones al arranque. Algunas máquinas inyectoras conectan erróneamente el agua de refrigeración al circuito hidráulico, lo que provoca manchas de óxido en el cuerpo del cilindro en pocos días, seguidas de rayaduras en el labio de sellado debido a la corrosión por picaduras y un aumento brusco de las fugas de aceite.
3. Riesgo de cavitación
Principio: El agua tiene un punto de ebullición bajo y una presión de vapor elevada. Una vez que la presión local en la entrada de la bomba es inferior a la presión de vapor del agua, esta se vaporiza formando burbujas; que colapsan inmediatamente al entrar en la zona de alta presión, generando microchorros y ondas de choque que crean cráteres (puntos de cavitación) similares a los provocados por el chorro de arena. Escala de referencia: La presión de vapor del agua a 60 ° °C es de aproximadamente 20 kPa, mucho mayor que la presión de vapor del aceite hidráulico; por lo tanto, la cavitación es más probable que ocurra bajo las mismas condiciones de aspiración. Áreas propensas a problemas: zona superior de los dientes de la bomba de engranajes — área de entrada de la placa lateral, cámara de entrada de la bomba de paletas, ventana de succión de la placa distribuidora de la bomba de émbolos; zonas locales de baja presión en los orificios de estrangulamiento y en las esquinas afiladas.
Ejemplo
Una bomba de engranajes de 30 L/min, al operar con agua a 1500 rpm y con una tubería de aspiración larga o un elemento de filtro fino, producirá un «sonido áspero como papel de lija o zumbido». Al cabo de unos días, la placa lateral presentará picaduras y hoyos en forma de media luna, y la eficiencia volumétrica descenderá del 90 % al 60-70 %.
La pequeña abertura de la válvula reduce el caudal del medio acuoso. En condiciones de alta temperatura, suelen observarse picaduras en forma de aguja sobre el núcleo y el asiento de la válvula, lo que provoca un aumento de las fugas internas y del ruido.
4. Principio de viscosidad insuficiente: El sellado y el control de fugas en los sistemas hidráulicos dependen fuertemente de la viscosidad del medio. En términos sencillos, la fuga laminar QleakQ_{\text{leak}} Qleak en la holgura es aproximadamente proporcional a 1/\mu μ 1/\mu μ (cuando la geometría y la diferencia de presión son fijas). Al cambiar el medio de 30 mPa · ·s a 1 mPa · ·s, la fuga teórica puede amplificarse varias decenas de veces.
5. Principio de sensibilidad a la temperatura: Cuando el agua se congela a 0 °C ° C, su volumen se expande aproximadamente un 9 %, lo que provoca grietas en piezas o tuberías de paredes delgadas; a altas temperaturas, la evaporación se intensifica y la presión de vapor aumenta, lo que conduce a una cavitación más frecuente y a fluctuaciones de presión. El aceite hidráulico está equipado con mejorador de viscosidad frente a la temperatura y antioxidante, con un amplio rango de temperatura de funcionamiento.
Impacto in situ: bajas temperaturas: congelación → grietas en la succión o carcasa de la bomba; el impacto es significativo en el momento del arranque, provocando que el labio de sellado se «rompa»; altas temperaturas: cavitación frecuente y cavitación en la entrada de la bomba; aumento de las fluctuaciones de presión y del ruido, lo que provoca fluctuaciones rápidas en los componentes de actuación.
Ejemplo
El equipo exterior ubicado en el norte registró temperaturas bajo cero durante la noche, y el agua residual en la tubería se congeló. Al día siguiente, aparecieron finas grietas en la carcasa de la bomba de engranajes al ponerla en marcha;
En el sitio de colada continua metalúrgica, en un entorno de 60-70 °C ° C, el circuito de ensayo que utiliza agua como medio experimenta con frecuencia ruidos en el extremo de la bomba y caída de presión a altas temperaturas. Solo tras volver al glicol etilénico acuoso se logró una estabilidad casi aceptable.
Consecuencia directa: disminución significativa de la eficiencia volumétrica (más acusada a mayores presiones); aumento lento de la presión y arrastre de carga; el caudal de fuga interna del núcleo de la válvula aumenta, provocando una diferencia en la presión estática del sistema y un incremento del calentamiento. Ejemplo: al utilizar agua como medio, una bomba de engranajes con una presión nominal de 20 MPa aún puede girar sin carga, pero no consigue alcanzar presión bajo una carga de 8–10 MPa; tras sustituir dicha bomba por aceite VG46, recupera su capacidad de operación a 18–20 MPa. Componentes como las válvulas servo-proporcionales, extremadamente sensibles a los pequeños juegos, experimentan fugas severas en posición cero y deriva cuando se sustituyen por medios de baja viscosidad, lo que dificulta notablemente la estabilización del bucle de posición.
Basándose en los puntos de vista que he presentado, los motores hidráulicos siguen siendo más compatibles con el aceite hidráulico.
Sin embargo, debe tenerse en cuenta que en la industria existen fluidos hidráulicos a base de agua (HFA/HFB/HFC, como el etilenglicol acuoso), así como sistemas específicos de bombas/válvulas/retén y materiales diseñados para ellos (acero inoxidable/revestimiento de níquel, cerámica, EPDM/PTFE, etc.). No obstante, esto pertenece a la ingeniería de sistemas especializados, y no basta con sustituir simplemente el sistema existente de aceite por uno de agua.