EL DETALLE IMPORTA. SISTEMA HIDRÁULICO ¿CENTRO ABIERTO O CENTRO CERRADO?

Massey Ferguson 8600

NO HAY DUROS A CUATRO PESETAS

Quizá el lector “detallista” se haya fijado que desde hace “algunas entradas” hago hincapié en la idea de que “el detalle importa”, es decir, insisto en que no todo es lo mismo y que nadie da “duros a cuatro pesetas”. La entrada actual sólo pretende ser una introducción a las diferencias entre un sistema hidráulico de centro abierto o de centro cerrado: cual es mejor, cual es más conveniente según nuestras necesidades, cual es más caro….

SISTEMA HIDRÁULICO

Al referirse a sistema hidráulico en un tractor se hace al sistema de transmisión de fuerza y movimiento a través de un fluido, en la práctica aceite (casi incompresible). El principio del sistema se basa en transmitir una energía, que normalmente proviene del motor de combustión, entre una bomba hidráulica y uno o más actuadores motrices (cilindros, motores)

Circuito hidráulico de centro abierto: caudal constante, presión variable

New Holland T8

Con el sistema de centro abierto, la bomba es de cilindrada, y por lo tanto el caudal, constante. El sistema se implementa con bombas de tipo engranajes (normalmente el cuerpo se fabrica en fundición de acero o aluminio) que están accionadas de forma continua. Como la bomba envía de forma permanente un caudal constante se necesita una válvula que limite la presión ya sea bien para que el aceite retorne a depósito o bien cuando llega el final del requerimiento hidráulico. Es decir, si no se requiriese caudal entonces el flujo de aceite se desvía al depósito por la línea de retorno. En el caso de accionar un distribuidor (servicios externos, elevador...) la válvula de control orienta el caudal hacia la demanda, siendo la velocidad de respuesta directamente proporcional al caudal de la bomba. La presión subirá entonces hasta alcanzar el valor requerido para la función exigida en el actuador y tras realizar ese trabajo la bomba vuelve a funcionar bajo condiciones de baja presión.
Otra característica del sistema es que las bombas con caudal fijo una vez que se abre un distribuidor se consume la máxima potencia de que dispone el sistema hidráulico, incluso sin tener nada acoplado, porque el caudal excedente se tiene que ir por la válvula limitadora (alivio de presión)

El centro abierto es muy utilizado en tractores agrícolas ya que es de gran simplicidad en la disposición de los componentes, y porque es un sistema que se adapta perfectamente a la normal operación del sistema hidráulico en un tractor, es decir, de forma intermitente y con un número limitado de actuadores. Pero el centro abierto también se usa en aparatos tan complejos como puede ser un avión si bien es cierto que normalmente se usa en aviones ligeros como avionetas en las cuales no se necesita un suministro continuo de presión (tren de aterrizaje o flaps…) si no que necesitan suministro hidráulico durante un periodo corto de tiempo.

Normalmente la presión nominal de trabajo en centro abierto oscila entre los 80 y los 130 kg/cm². 

Esquema sistema hidráulico centro abierto

Circuito hidráulico de centro cerrado: caudal variable, presión constante

El sistema de centro cerrado suministra aceite a la demanda capaz de suplir operaciones simultáneas y con una sola bomba. La implementación de estos circuitos se hace con bombas de caudal variable (cilindrada variable) pero manteniendo la presión. Cuando el circuito no requiere caudal la bomba está en cierto reposo y el aceite no retorna continuamente al depósito mientras que mantiene la presión del aceite en un margen estrecho de variación.

La cilindrada de la bomba varía en función de la carga del sistema proporcionando el caudal a la demanda y siempre manteniendo la presión dentro de límites estrechos. En el caso de necesitarse alimentar varios actuadores en paralelo con demandas diferentes entonces se controla el caudal bien por tubos de diferente diámetro o bien por válvulas dosificadoras calibradas. En la práctica esto significa que el accionamiento de un actuador no interfiere en el trabajo de los demás cuando se accionen de forma simultánea.

EL USUARIO

Para el usuario tractorista lo que le importa es tener respuesta a su demanda hidráulica. Es común encontrarse con tractores que cuando llegan a final de besana y con diversos implementos hidráulicos (por ejemplo una barredora frontal de sarmientos y una trituradora en el elevador trasero) al ir a girar para coger otra calle se note que no existe suficiente caudal. En estos casos el fabricante prioriza algunos (la demanda de dirección es prioritaria) frente a otros.

Seccionado bomba de engranajes

Por regla general se puede afirmar que es mejor un centro cerrado pues con los caudales y presiones que se manejan actualmente una única bomba de centro abierto haría que se perdiese mucha potencia en determinadas acciones. Quizá con el siguiente ejemplo se entienda mejor lo que intento explicar:

¿Potencia demandada?: Imagínese un tractor moderno de 100 CV, lo habitual es que incorporen bombas de unos 100 L/min a 170 bar, eso es mucha potencia, son casi 40 CV Puede llegar el caso de accionar un distribuidor y notar tal caída de revoluciones que casi se cale el motor. En el caso de un centro abierto aunque no se demande todo el caudal se sigue absorbiendo la misma potencia pues como la bomba no varía su caudal la presión queda determinada por la presión de tarado de la válvula de alivio.
El apero 
Un apero conectado a un tractor de centro abierto deberá poseer electrodistribuidores de centro abierto. Si el distribuidor está en posición neutra, cuando le llega aceite por el latiguillo conectado al tractor regresa por el otro latiguillo pero siempre con presión muy baja.
El problema de colocar un apero con distribuidores de centro cerrado en un tractor de centro abierto es que cuando esté en posición neutra el líquido que intenta llegar desde el tractor tendría el paso cortado y todo el caudal de la bomba se va por la válvula de seguridad con el consiguiente aumento de temperatura del aceite y disipación de energía.
En cuanto al apero con servicios hidráulicos deben tener distribuidores, mecánicos o eléctricos, deben ser también de centro cerrado puesto que en realidad cuando se conectan con el tractor por medio de los latiguillos pasan a formar parte del circuito del tractor.
El circuito con distribuidores de centro abierto, cuando el líquido no se utiliza para ningún servicio tiene paso libre de retorno hacia el depósito. El caudal impulsado por la bomba (la bomba siempre impulsa), tiene una presión muy baja ya que le cuesta poco esfuerzo regresar al depósito. Al accionar el distribuidor para enviar el aceite a un servicio, la presión sube para vencer el esfuerzo en ese servicio

RESUMIENDO Y ACLARANDO
Por lo tanto el distribuidor de centro abierto cuando está en posición neutra, el aceite tiene paso libre en su interior pudiendo ir a otro distribuidor situado a continuación o a retorno al depósito.

Circuito de centro cerrado
Mientras un distribuidor de centro cerrado será el que, estando en posición neutra (no envía aceite por ninguna de las tuberías con las que se conecta a un servicio), el aceite tiene el paso cortado en el interior del distribuidor.

Un circuito con distribuidores de centro cerrado, y si estos están en posición neutra, como el aceite tiene el paso cortado, su presión es máxima. Para evitar que el caudal impulsado por la bomba esté regresando al depósito a través de la válvula de seguridad (hecho que disiparía una gran cantidad de energía por calentamiento del aceite y al final su pérdida de propiedades) tienen un dispositivo en la bomba que  automáticamente hace que deje de enviar caudal cuando la presión es máxima por tener el aceite el paso cortado en los distribuidores.


Un tractor con centro cerrado, cuando el aceite no se utiliza para ningún servicio, la bomba no envía caudal y las tuberías tienen presión máxima.




Un tractor con centro cerrado, cuando el aceite no se utiliza para ningún servicio, la bomba no envía caudal y las tuberías tienen presión máxima.

Algo más: Es cierto que en el sistema de centro abierto (CA) la presión y el caudal están

originados en una bomba de engranajes (caudal de aceite continuo pues siempre está funcionando a través de la transmisión desde el motor) y en principio el CA está siempre funcionando para proporcionar el máximo caudal, independientemente de las necesidades del tractor o del apero pero algunos fabricantes incorporan sistemas para regular la presión así se baja la potencia demandada al motor. Es decir si no hay demanda la presión no es muy elevada.

John Deere 6RC con CC de 80 L/min y hasta 200 bar

En el caso del centro cerrado (CA) la bomba es de pistones o émbolos. Si no se consume entonces el caudal que envía la bomba es mínimo por lo que la potencia restada al motor es menor.

El sistema se mejora con la denominada válvula con detección de carga. En este caso una válvula situada en la bomba la pone en marcha cuando se requiere caudal.

Lo habitual de los fabricantes “buenos” es dar prioridad a los servicios básicos. Para ello unas válvulas priorizan incluso a bajo régimen del motor que se mantenga la potencia hidráulica en la dirección y sistema de frenado.

Las ventajas claras del CA frente al CC es que se reduce la carga en el motor y se mejora por tanto la eficiencia del combustible, pero hay otras ventajas nada desdeñables como que se mejora la refrigeración del aceite al no estar constantemente enviándolo al circuito y también se reducen los ruidos del sistema hidráulico y alarga la vida de manguitos y retenes al no estar sometidos a constante presión.

Comparando el CA con el CC con varias hipótesis de trabajo



No hay consumo hidráulico: cuando no hay consumo hidráulico el CA está mandando el máximo de litros aunque con muy poca presión. El CC manda muy poco caudal con poca presión
Demanda hidráulica media: El CA manda todo el caudal a una presión media. El CC manda el caudal necesario
Demanda máxima: Ambos sistemas funcionan igual, con máximo caudal y máxima presión

ENTONCES ¿CENTRO ABIERTO O CENTRO CERRADO?

Ventajas centro cerrado frente a centro abierto

• Según lo anterior la gran ventaja del centro cerrado frente al abierto es que en el cerrado, al mantener la presión constante, resulta más flexible en las aplicaciones. Es decir con el centro cerrado solo se emplea el caudal que se necesita a la presión que se necesita: ahorro de potencia
• El tractor con centro cerrado ofrece una respuesta al accionamiento de los mandos mucho más firme y rápida (presión constante, independiente de la carga)



Servicios externos Valtra T162

• Por regla general y a igualdad de calidad de componentes el centro cerrado es más duradero que el centro abierto

Inconvenientes centro cerrado frente a centro abierto

• El inconveniente del centro cerrado viene dado de su misma virtud y es que la bomba, una vez hecha la solicitud de demanda, debe operar a la presión de diseño del sistema, aunque incluso el requerimiento demandado fuese de baja presión (además las presiones del centro cerrado suelen ser superiores a las de centro abierto ya que rondan los 150 a 170 kg/cm²)
• El punto anterior es su auténtico talón de Aquiles. El estrangulamiento que provocará la apertura parcial de la válvula para reducir la presión al nivel exigido provocará un aumento de la temperatura del aceite, eso significa envejecimiento del mismo, desgaste del sistema mecánico y pérdida de energía
• El sistema de centro cerrado y a igualdad de caudales es más caro
• Las averías en el sistema de centro cerrado suelen ser más costosas, amén de que cuando se sufre una avería el tractor se queda con todo los servicios hidráulicos “tocados”

Load Sensing y bombas en tándem: Pero no todo es “blanco o negro” hay infinitos tonos de “gris”, eso significa que los diseñadores de “centro cerrado” también dispondrán de armas para combatir los inconvenientes enumerados de su sistema. Desde hace años los sistemas de presión constante y caudal variable (centro cerrado) para evitar que calienten tanto el aceite idearon el concepto de load sensing o caudal a la demanda. Se trata de un sistema tal que es sensible a la carga a la que está sometido el circuito y se permite variar el caudal para adaptarlo automáticamente a las necesidades impuestas por los aperos. Con el caudal a la demanda el sistema mantiene una presión latente mucho mas baja y la incrementa solo cuando se necesite, por lo que la potencia absorbida depende de la demanda de caudal y presión. En cada instante la bomba suministra sólo la cantidad de aceite necesaria para obtener una respuesta inmediata de los mandos y una adecuada reacción de elevación (incluso con el motor en ralentí) ¿El resultado? Menor gasto de energía, un menor calentamiento del aceite en el circuito y una mayor duración de los componentes hidráulicos.

Bomba engranajes

En cuanto al sistema de centro abierto, su principal ventaja radica en su simplicidad, y su gran inconveniente que está siempre funcionando y tiene más dificultades para operar más de un sistema a la vez, pero también este inconveniente lo suple incorporando distintas bombas independientes: dirección, servicios internos, elevador…

Y LOS FABRICANTES ¿QUÉ HACEN?

No se puede afirmar que unos fabricantes se decanten por un sistema y otros por otro. Más bien los fabricantes ofrecen ambos sistemas en función de la especificación del tractor y de la especificación “hidráulica” de la unidad concreta. En realidad el centro cerrado no es ninguna novedad y hay fabricantes que lo montan desde hace 50 años.

En general se puede afirmar que cuando un tractor necesita ofrecer un circuito hidráulico “complicado” con numerosos actuadores (dirección, elevador trasero y frontal, pilotaje….) recurre al centro cerrado ya que simplifica el diseño de válvulas. Mientras que el centro abierto es muy popular en tractores de menor especificación hidráulica, siendo además muy fiables y recomendables si el fabricante ha sabido superar las limitaciones del sistema.

También es común encontrar modelos de tractores que combinan los circuitos cerrados con abiertos y es una opción muy interesante.

Bomba hidráulica de pistones axiales

En realidad debe saber el lector que la “tecnología hidráulica” es ingeniería de proveedor especializado y lo normal es encontrar a diferentes fabricantes de tractores con sistemas hidráulicos casi idénticos debido a que comparten componentes del mismo proveedor.

En el mercado cuando se elige un tractor el potencial comprador verá que prácticamente todos los fabricantes ofrecen los dos sistemas y sus variantes: centro abierto, centro cerrado, caudal a la demanda, sensor de carga, mixto con bombas hidráulicas independientes (por ejemplo para manejo de pala)…

Mi recomendación: es que el comprador analice para que compra su tractor e intente calcular el caudal hidráulico que realmente necesita y entonces se deje asesorar por un técnico serio de la marca elegida: tipo de sistema, caudales, bombas adicionales…

OTRO TEMA

Esta entrada se hizo en el blog en abril del 2013. Desde entonces ha tenido tanto éxito que se han ido sucediendo las visitas y también los comentarios. Como yo no soy ningún experto he recurrido, y me he aprovechado, de dos ingenieros que son estudiosos y técnicos de la oleohidráulica. Ellos dos, Jacinto Gil (Universidad Politécnica de Madrid) y Juan Manuel Martín (Maquinaria hidráulica) han sido los que han ido resolviendo las dudas de los lectores.

Además hace unos días Juan Manuel hacía una observación que yo había dejado fuera de la entrada y que creo que merece ser ahora enumerada para ampliar el post.

Juan Manuel se refería a los orbitroles (distribuidores del sistema de dirección)

Orbitrol

El orbitrol: El orbitrol es en realidad una válvula distribuidora de flujo hidráulico. La bomba hidráulica de la dirección (que podrá ser una bomba de engranaje o de pistones, ser independiente, es decir sólo para la dirección, o bien compartida para varios servicios) manda el caudal de aceite al orbitrol que es el que se encarga, según le llegue la orden del conductor a través de la columna de dirección, de distribuir el aceite hacia los cilindros hidráulicos, a través de las tuberías y mangueras, y que son los que se encargan de mover las bielas de la dirección.

Como todo tractorista sabe si el motor se para el orbitrol no es de gran utilidad pero al menos hay una pequeña bomba que movida por el volante permite enviar aceite al sistema de dirección para tener cierto control del vehículo mientras se inmobiliza.

Los orbitroles de dirección pueden ser del tipo ON y del tipo OR, siendo ambos para tractores de circuito abierto.

• Los del tipo ON (sin reacción de rueda) son los que permiten mantener la trayectoria del vehículo sin necesidad de tener las manos ocupadas en el volante
• Los del tipo OR (con reacción de rueda) permiten que, al soltar el volante, las ruedas se enderecen cuando estamos trazando una curva. El efecto es el mismo que el que se produce en nuestro coche.

Dependiendo de las horas de transporte que se haga con el tractor, es más interesante uno u otro de los sistemas. Hay algunas marcas de tractores que llevan instalado el OR como estándar, aunque el ON es el más habitual en la mayoría de las marcas.

Sistema completo: bomba, orbitrol, mangueras

Sistema "casero" para adaptar un sistema de dirección hidrostática sobre un tractor con dirección mecánica

 By: Catalán Mogorrón, H.