Diafragma de acumulador para perforadoras de roca: principio de funcionamiento, síntomas de fallo y cómo elegir un repuesto

Un perforador hidráulico de roca depende de un pequeño componente, fácil de pasar por alto, para mantener su sistema de percusión suave y eficiente: el acumulador membrana . Cuando funciona correctamente, la mayoría de los operadores ni siquiera lo tienen en cuenta. Cuando falla, la energía de impacto disminuye, el sonido del perforador cambia y la productividad en la plataforma se ve afectada. Este artículo explica cómo funcionan el acumulador y su diafragma dentro de un perforador hidráulico de roca, cómo reconocer los signos de fallo del diafragma y qué comprobar antes de pedir un reemplazo.

¿Qué es un acumulador en un perforador hidráulico de roca?

Un acumulador es un pequeño recipiente a presión integrado en el circuito de percusión de una perforadora hidráulica de roca. En su interior, una membrana flexible —a veces aún denominada «copa de cuero» en catálogos antiguos de piezas, denominación heredada de diseños anteriores de membranas— separa dos cámaras: una llena de gas nitrógeno a presión y la otra conectada al circuito hidráulico de aceite de la perforadora. Dado que el lado del gas está sellado y precargado antes de instalar el acumulador, y el lado del aceite está abierto al circuito hidráulico de trabajo, este componente se denomina frecuentemente acumulador de nitrógeno o acumulador de gas.

La mayoría de las perforadoras hidráulicas de roca utilizan al menos un acumulador en el lado de alta presión del circuito de impacto, y muchos diseños incorporan un segundo acumulador de baja presión en el circuito de retorno o amortiguación. Ambos funcionan según el mismo principio básico, aunque sus clasificaciones de presión y su función difieren.

La literatura sobre ingeniería hidráulica clasifica generalmente los acumuladores en tres familias: tipo vejiga (bolsa), tipo diafragma y tipo pistón. Las comparaciones publicadas de los tres tipos indican que los acumuladores de pistón pueden cubrir un rango de volumen y presión muy amplio sin verse limitados por la relación de compresión de un elastómero; sin embargo, su masa de pistón les confiere una respuesta dinámica notablemente más lenta que la de un acumulador de vejiga o de diafragma, lo que hace que los tipos de pistón sean poco adecuados para absorber pulsaciones pequeñas y rápidas a baja presión, aun cuando puedan funcionar bien una vez que la presión de operación sea lo suficientemente alta como para que la inercia del pistón pierda relevancia. Por el contrario, los acumuladores de vejiga y de diafragma poseen muy poca masa móvil y responden con rapidez a cambios rápidos de presión, comportamiento que es precisamente el requerido por un circuito de percusión; esta es una razón práctica por la cual los acumuladores para perforadoras de roca y rompedores hidráulicos se fabrican casi exclusivamente como tipos de diafragma o de vejiga, y no como tipos de pistón.

¿Cómo funciona la membrana del acumulador durante la percusión?

La función de la membrana es moverse. A medida que la presión del aceite en el circuito de impacto aumenta durante cada ciclo de percusión, el fluido hidráulico empuja contra la membrana, flexionándola hacia el lado del gas y comprimiendo el nitrógeno detrás de ella. Cuando la presión en el circuito vuelve a disminuir, el gas comprimido se expande y empuja la membrana de regreso, forzando al aceite a salir del acumulador y entrar en el circuito. Este movimiento alternado, descrito en la literatura técnica como un movimiento de «vuelco» de la membrana, sigue la relación general entre presión y volumen establecida por la ley de los gases: a medida que la cámara de aceite aumenta de volumen, la cámara de gas disminuye y su presión aumenta, y viceversa.

Más concretamente, la carga de nitrógeno sigue la ley de los gases politrópica utilizada ampliamente en la literatura sobre diseño de acumuladores:

p · V ⁿ = p ₀· V ₀ⁿ = constante (1)

donde p y V son la presión y el volumen del gas en cualquier instante, p₀ y V₀ son la presión y el volumen de precarga, y n es el índice politrópico. Los estudios de modelado hidráulico de sistemas equipados con acumuladores suelen tratar los ciclos lentos de carga y descarga (más largos que aproximadamente tres segundos) como casi isotérmicos, con n cercano a 1, y los ciclos rápidos (menos de aproximadamente tres segundos) como casi adiabáticos, con n cercano a 1,4. El ciclo de percusión de una perforadora de roca se repite muchas veces por segundo, por lo que la compresión del gas dentro de su acumulador se sitúa firmemente en el régimen rápido y adiabático, en lugar de comportarse como el caso lento e isotérmico que a veces se supone en explicaciones simplificadas.

Esto también significa que el diafragma y su carga de gas no se comportan como un simple resorte estático; los estudios sobre la dinámica del acumulador representan el lado gaseoso como un sistema de resorte y amortiguador, con una rigidez gaseosa y un término de amortiguamiento que dependen ambos de la presión y el volumen de operación en ese instante. En términos prácticos, lo que determina si el acumulador amortigua efectivamente una pulsación o simplemente se queda atrás es la rapidez y limpieza con que el diafragma puede seguir un cambio de presión —no solo cuánto puede estirarse—.

Dado que el pistón de percusión de una perforadora hidráulica invierte su dirección a alta frecuencia —habitualmente entre varios miles de golpes por minuto o más, según el modelo—, el diafragma se flexiona a esa misma frecuencia durante todo el tiempo que la perforadora esté en funcionamiento. Esto vale la pena tenerlo en cuenta más adelante, al analizar qué es lo que realmente desgasta el diafragma.

Foto 1: Transversal ‑sección Diagrama del diafragma ‑Acumulador de tipo diafragma

¿Por qué necesita una perforadora una acumulador?

Sería posible hacer funcionar un circuito de percusión sin acumulador, pero la perforadora no funcionaría bien ni tendría una larga vida útil si lo hiciera. El acumulador desempeña tres funciones clave que afectan directamente el comportamiento real de una perforadora de roca en el campo:

• Absorbe las pulsaciones de presión generadas cada vez que el pistón de impacto invierte su dirección, en lugar de permitir que todo el choque llegue a la bomba, las mangueras y el bloque de válvulas.
• Proporciona un impulso adicional de caudal de aceite hacia la cámara de impacto durante la fracción de segundo en que la demanda alcanza su pico en cada ciclo, lo cual el caudal constante de la bomba no siempre puede satisfacer por sí solo. Las investigaciones sobre los sistemas de impacto de perforadoras de roca han demostrado que un acumulador correctamente dimensionado mejora la estabilidad de esta compensación de caudal y contribuye a mantener una potencia de impacto constante.
• Reduce el riesgo de cavitación en el circuito de impacto, lo que, de lo contrario, podría erosionar componentes y generar picos agudos de presión que se manifiestan como ruido y vibración.

En resumen, el acumulador es lo que permite a una perforadora hidráulica de roca entregar un elevado número de golpes consistentes y de máxima intensidad por minuto, en lugar de una acción de martilleo irregular y desigual.

La magnitud de la función del acumulador se vuelve más clara al considerar dos fórmulas estándar utilizadas en el análisis de los sistemas de impacto de perforadoras de roca. La potencia hidráulica suministrada a cualquier subsistema (impacto, avance o amortiguación) es:

P = (p · Q) / 60 (2)

donde P es la potencia en kilovatios, p es la presión de entrada del circuito en megapascales y Q es el caudal en litros por minuto. La energía cinética del pistón de impacto en el instante en que golpea la barra de perforación es:

E _p = ½ · m · v ² (3)

donde m es la masa del pistón de impacto y v es su velocidad en el punto de impacto. Un estudio reciente sobre el consumo energético de una perforadora hidráulica de roca construyó una simulación Amesim del circuito completo de impacto, amortiguación y avance, y modeló el acumulador con un submodelo específico que representa fielmente sus dos funciones descritas anteriormente: absorber las pulsaciones de presión y suministrar aceite auxiliar según demanda. Las pruebas de perforación realizadas en dicho estudio confirman dos compromisos prácticos ya conocidos por los operadores de perforadoras de roca: una presión de avance (empuje) insuficiente hace que la broca pierda contacto estable con la roca, fenómeno conocido como golpe en vacío o golpe sin carga; mientras que una presión excesivamente alta en el sistema de amortiguación modifica la forma en que la fuerza de impacto se distribuye a lo largo de la barra de perforación. Ambos efectos son consecuencia directa de la misma función de gestión de presión para la cual está diseñado el acumulador.

¿Qué ocurre cuando falla la membrana del acumulador?

Una falla del diafragma elimina la separación entre el lado de nitrógeno y el lado de aceite del acumulador. Una vez que dicha separación desaparece, el gas nitrógeno puede migrar al aceite hidráulico, formando burbujas compresibles que circulan por el circuito. Como el gas se comprime con mucha mayor facilidad que el aceite, el circuito de impacto ya no puede generar ni mantener la presión tal como fue diseñado, y el acumulador ya no puede suavizar las pulsaciones provocadas por cada inversión de los pistones.

El resultado práctico es una perforadora que golpea con menor fuerza, menor consistencia o ambas cosas. Algunos técnicos describen el cambio en el sonido como una transición del golpe nítido y agudo de la perforadora a uno más sordo y ronco; las lecturas de presión suelen confirmar esto como una caída de la presión de impacto acompañada de un aumento correspondiente en la fluctuación del manómetro. En casos más graves, el mismo evento de sobrepresión que dañó el diafragma también puede tensionar la carcasa o la tapa final del acumulador, por lo que una falla del diafragma constituye una señal razonable para inspeccionar todo el conjunto del acumulador, no solo el diafragma en sí.

¿Cómo saber si el diafragma de su perforadora de roca ha fallado?

La falla del diafragma rara vez se manifiesta con un único síntoma evidente; por lo general aparece como una combinación de los siguientes:

• Un cambio en el sonido de percusión de la perforadora, de nítido a sordo o ronco.
• Una caída de la presión de impacto o de la energía de impacto comparada con la lectura normal de la máquina.
• Una aguja de manómetro de presión que vibra o oscila en lugar de mantenerse estable durante el funcionamiento.
• Vibración notable en la tubería de aceite de alta presión que no estaba presente anteriormente.
• Un acumulador que no mantiene su precarga de nitrógeno al verificarse con un manómetro calibrado.

La tabla siguiente es un punto de partida para relacionar un síntoma con una causa probable y una comprobación lógica posterior.

Ninguno de estos síntomas confirma por sí solo un diafragma fallido; lo que realmente indica si el acumulador ha perdido su carga es una verificación de presión de gas con un kit de carga calibrado, que constituye la forma más rápida de distinguir un problema del acumulador de uno relacionado con la bomba, la válvula o las juntas en otra parte del taladro.

Las pulsaciones sin amortiguación, si se dejan sin gestionar durante tiempo suficiente, también incrementan el riesgo de cavitación en otras partes del circuito: allí donde la presión local desciende momentáneamente por debajo de la presión de vapor del aceite hidráulico, se forman burbujas de vapor que luego colapsan violentamente al recuperarse la presión, erosionando progresivamente las superficies metálicas adyacentes. Investigaciones recientes sobre componentes hidráulicos acerca de la cavitación en válvulas de control de presión refuerzan por qué es fundamental mantener intacto el amortiguamiento de las pulsaciones más allá del propio diafragma: la cavitación y los daños por erosión que provoca están impulsados precisamente por fluctuaciones de presión agudas y repetidas, tipo de fenómeno que el acumulador está diseñado para evitar que alcance el resto del circuito.

Foto 2: Foto de un diafragma dañado y fallido

¿Qué causa la falla prematura del diafragma?

El diafragma es un componente de desgaste y, con el tiempo, alcanzará el final de su vida útil debido a la fatiga normal, ya que se flexiona a alta frecuencia durante todo el tiempo que funciona la perforadora. Varias condiciones pueden acortar notablemente esa vida útil por debajo de lo que el material sería capaz de soportar en condiciones normales:

• Una precarga incorrecta de nitrógeno, ya sea en exceso o en defecto. Un acumulador sobrecargado restringe el recorrido normal del diafragma y puede atrapar pequeñas bolsas de aceite contra la carcasa, concentrando tensiones en la superficie del diafragma. Un acumulador subcargado o completamente descargado permite que el diafragma choque repetidamente contra el fondo de la carcasa y transfiere una mayor parte del impacto de presión directamente a la propia carcasa.
• Aceite hidráulico contaminado, oxidado o utilizado mucho más allá de su intervalo de servicio recomendado, lo cual puede atacar el elastómero o transportar partículas abrasivas que aceleran el desgaste.
• Una temperatura elevada constante del aceite provocada por un enfriador de tamaño insuficiente, un radiador obstruido o un ciclo de trabajo que excede la capacidad nominal de la máquina, lo que ablanda con el tiempo la mayoría de los compuestos elastoméricos.
• Daños físicos ocasionados durante la instalación, como pellizcos, torsiones o estiramientos excesivos de la membrana al colocarla.

La mayoría de estas causas se pueden prevenir mediante comprobaciones rutinarias de la presión de precarga y un mantenimiento normal del sistema hidráulico, lo cual suele resultar mucho más económico que una nueva falla de la membrana.

¿Cómo se relaciona la presión de precarga de nitrógeno con la vida útil de la membrana?

La presión de precarga determina la posición de reposo de la membrana incluso antes de encender la perforadora, y dicha posición de reposo define cuánto debe flexionarse la membrana en cada ciclo de trabajo. Si se ajusta correctamente, según la especificación del fabricante de la máquina, la membrana se desplaza dentro de un rango controlado y repetible para el que el material está diseñado para resistir.

Si se ajusta demasiado alto, el diafragma queda situado cerca del extremo del alojamiento del lado del aceite antes de que comience la perforación, dejando poco espacio para absorber el volumen entrante de aceite; esta condición se ha asociado con el atrapamiento de aceite hidráulico en pequeños bolsillos entre el diafragma y la placa base del acumulador, lo que incrementa la tensión local en dicho punto y puede provocar grietas.

Si se ajusta demasiado bajo, o cuando el acumulador está completamente descargado, el diafragma debe recorrer una mayor distancia y puede tocar fondo contra el alojamiento en cada ciclo, transfiriendo al alojamiento el impacto que el acumulador debería absorber y, con el tiempo, al resto del circuito de impacto.

La bibliografía sobre diseño de acumuladores expresa estos dos límites mediante una relación de compresión, es decir, la relación entre la presión máxima de trabajo y la presión de precarga:

k = p _máx. \/ P ₀ (4)

Los métodos de dimensionamiento publicados para los acumuladores de diafragma y de vejiga suelen limitar ampliamente esta relación muy por debajo del rango efectivamente ilimitado de los acumuladores de pistón; las cifras típicas citadas en la bibliografía indican una relación máxima de compresión del orden de 10:1 para los acumuladores de diafragma y de aproximadamente 4:1 para los de vejiga. El extremo inferior del rango de presión de trabajo se mantiene por encima de la presión de precarga con un margen similar:

p _mínimo 1,1 · p ₀ (5)

de modo que el diafragma nunca se aplaste completamente contra la pared de la carcasa en el punto más bajo de su recorrido. Un acumulador para perforadoras que haya salido de cualquiera de estos límites —operando demasiado cerca de su relación de compresión nominal en el extremo superior o demasiado cerca de la descarga total en el extremo inferior— funciona en la misma zona de sobrecarga que la bibliografía de dimensionamiento asocia con grietas y vida útil reducida, mucho antes de que el diafragma presente una rotura evidente.

La temperatura añade una segunda variable que es fácil confundir con una fuga. A volumen constante, la presión del nitrógeno sigue una relación directa con su temperatura absoluta, de modo que una precarga establecida en un día cálido mostrará una lectura notablemente más baja una vez que el acumulador se haya enfriado, sin que realmente haya escapado ningún gas:

p₀′ = p₀ · (T _mínimo \/ T ₀) (6)

donde p₀ y T₀ son la presión y la temperatura de precarga en el momento de la carga, y p₀′ es la presión equivalente a alguna otra temperatura Tmin. Los estudios publicados sobre el dimensionamiento de acumuladores basados en esta relación recomiendan verificar la precarga frente a la temperatura en el momento de la verificación, utilizando la tabla de referencia del fabricante, en lugar de asumir que cualquier descenso respecto al valor nominal implica necesariamente una pérdida de gas. Como ilustración práctica del valor típico de la precarga en relación con la presión de trabajo, un diseño publicado para un sistema hidráulico alternativo basado en un acumulador de tipo diafragma especifica una precarga de nitrógeno aproximadamente igual al 70 % de la presión de trabajo nominal de la bomba —una proporción coherente con el rango general del 60–90 % citado en las guías sobre acumuladores hidráulicos, y una comprobación razonable de coherencia al revisar la cifra especificada por el fabricante original del perforador.

Como el valor correcto de precarga varía según el modelo y el fabricante de la perforadora, siempre debe obtenerse de la documentación técnica propia de la máquina, en lugar de estimarse. Los acumuladores de nitrógeno son recipientes a presión: su carga o descarga requiere un kit de carga adecuado, y el circuito debe despresurizarse completamente antes de cualquier desmontaje.

Foto 3: Operación de carga de nitrógeno para el acumulador

¿Qué debe comprobarse antes de reemplazar la membrana?

Antes de pedir una membrana nueva, conviene confirmar la avería y descartar otras causas que produzcan los mismos síntomas:

1. Compruebe la presión de impacto frente a la especificación de la máquina y, a continuación, verifique la precarga de nitrógeno del acumulador con un manómetro calibrado, ya que una lectura baja o nula constituye la confirmación más clara de un problema en la membrana.
2. Identifique el modelo exacto de la perforadora de roca y el número de pieza del acumulador. Las dimensiones y formas del diafragma no son intercambiables entre marcas ni siquiera entre generaciones de modelos del mismo fabricante, y la terminología también varía; el mismo componente puede denominarse diafragma, membrana o copa de cuero según el catálogo de piezas.
3. Inspeccione la carcasa del acumulador, la válvula de gas y las superficies de sellado acopladas en busca de daños más allá del propio diafragma, ya que una carcasa sometida a sobreesfuerzo también podría requerir atención.
4. Asegúrese de que el aceite hidráulico esté limpio y cumpla con las especificaciones de la máquina. Es probable que un diafragma nuevo instalado en aceite contaminado falle nuevamente en un plazo similar.
5. Siga la secuencia de desmontaje, los valores de par de apriete y las precauciones de seguridad indicados por el fabricante original (OEM) para ese modelo específico de perforadora de roca, y no un procedimiento genérico, ya que estos detalles son específicos de cada modelo.

¿Cómo elegir el diafragma de reemplazo adecuado?

Una vez confirmada la causa raíz y identificada la pieza correcta, la decisión restante es qué diafragma de reemplazo instalar. Tres factores son los más importantes:

• Coincidencia dimensional exacta. El diámetro exterior, el diámetro interior, el espesor y el perfil general deben coincidir con los de la pieza original; un diafragma que sea similar pero no exacto puede afectar su recorrido y su comportamiento de sellado dentro del acumulador.
• Un material adecuado a las condiciones operativas de la perforadora. Las perforadoras de roca diafragmas suelen fabricarse con compuestos de NBR, HNBR o poliuretano, cada uno con distintos compromisos en resistencia al calor, flexibilidad en frío y resistencia a la abrasión; la elección correcta depende del clima, del ciclo de trabajo y de la limpieza del aceite hidráulico, lo cual constituye un tema lo bastante amplio como para merecer una comparación detallada por separado.
• Prueba procedente del proveedor. Un proveedor que pueda confirmar las dimensiones y el material del diafragma frente al número de pieza original del fabricante (OEM), en lugar de limitarse a equipararlo con una descripción genérica, ofrece mayor confianza de que la pieza funcionará según lo previsto.

Como regla de decisión: una equivalencia exacta con el número de pieza OEM de su máquina, proporcionada por un proveedor que pueda confirmar tanto las dimensiones como el material, constituye una opción más segura que un diafragma descrito genéricamente como «de ajuste universal».

Las referencias de diseño de acumuladores mencionan una gama ligeramente más amplia de materiales que los tres compuestos más frecuentemente discutidos para perforadoras de roca: además de NBR, HNBR y poliuretano, algunas guías publicadas sobre acumuladores también incluyen la goma butílica (IIR) y la goma de epoclorhidrina (ECO) como opciones de diafragmas para combinaciones específicas de temperatura y fluido. En la práctica, la inmensa mayoría de los diafragmas para perforadoras de roca y rompedores hidráulicos se especifican en NBR, HNBR o poliuretano; sin embargo, esta lista más amplia recuerda que la selección del material depende finalmente del fluido y el rango de temperatura específicos con los que se trabaja, no de una lista corta y fija.

Foto 4: Comparación de distintos ‑Diafragmas de sustitución por material

¿Dónde puede obtener un diafragma de sustitución fiable?

Una vez que conoce el número de pieza exacto y la especificación de material que necesita, obtenerlo consiste simplemente en encontrar un proveedor capaz de ofrecerle una coincidencia fiable y explicarle dicha coincidencia, en lugar de limitarse a indicar un precio.

Nanjing Hovoo Machinery Technology Co., Ltd., fabricante chino de sellos fundado en 2013, produce componentes de sellado en poliuretano (PU), caucho y politetrafluoroetileno (PTFE), incluidos diafragmas para acumuladores de perforadoras de roca y rompedores hidráulicos, con equivalencias cruzadas a marcas importantes como Atlas Copco/ Epiroc , Furukawa, Montabert, Sandvik y Tamrock, entre otras. Además de los propios componentes, Hovoo afirma ofrecer soporte técnico gratuito para ayudar a confirmar el número de pieza correcto, las dimensiones y la calidad del material requeridos para un modelo específico de perforadora de roca antes de realizar un pedido.

Si no está seguro de qué diafragma necesita su máquina, proporcionar al proveedor el modelo de la perforadora de roca, el número de pieza actual del acumulador y una nota sobre las condiciones operativas habituales (clima, ciclo de trabajo, limpieza del aceite) constituye la forma más fiable de evitar pedir dos veces la pieza incorrecta.

1. Zhang S., Chen J., He L. «Método de cálculo del acumulador de suspensión según la condición de funcionamiento límite». Hydraulics Pneumatics & Seals, 2019(04): 19–25.
2. Chang S., Ma W., Ye M., Zhang J., Li Y., Ma Y. «Investigación sobre la predicción del consumo energético de perforadoras hidráulicas de roca basada en compensación impulsada por datos». Engineering Mechanics, publicado en línea con anticipación a su impresión, 2026.
3. Liu Y. «Investigación sobre el control de presión y el efecto de inyección de un sistema de inyección basado en acumuladores». Tesis de maestría, Universidad de Tecnología de Xi’an, 2022.
4. Shu Q. «Análisis de la pulsación de flujo y diseño del sistema de amortiguación de vibraciones para una bomba hidráulica de diafragma alternativa». Chinese pump engineering journal, 2014(5): 45–49.
5. Liang J., Yan L., Tang S., et al. «Efecto del polvo StronWi TNK sobre el rendimiento del compuesto de caucho para diafragmas en acumuladores de energía». China Rubber Industry, 2024, 71(8): 599–603.
6. Li M. «Investigación sobre el mecanismo de cavitación y la predicción de la erosión por cavitación en válvulas de asiento hidráulicas». Tesis doctoral, Universidad Yanshan, 2025.