ANALISIS DE FALLAS DE BOMBA DE PALETAS 1. OBJETIVOS
Tener habilidades de desmontaje, montaje y evaluación de bomba de paletas Reconocer cada una de las partes que conforman una bomba de paletas Conocer el funcionamiento y aporte de cada una de las piezas que conforman una bomba de paletas Identificar las fallas comunes en la bomba de paletas del equipo Caterpillar
2. MARCO TEÓRICO Las bombas de paletas tienen un conjunto de aletas con cinemática radial. Las aletas deslizan u oscilan en un cilindro hueco con ranuras radiales en el rotor. Respecto al eje del cuerpo de la bomba está colocado de forma excéntrica el rotor, respecto al que durante la rotación las aletas realizan movimientos alternativos o de vaivén.
Funcionamiento En los extremos de la bomba de paletas se aprietan en el interior el estator y las paletas deslizan por él. La cámara de trabajo es llenada entre dos paletas contiguas, el estator y el rotor. Durante el giro rotor el volumen de producto aumenta hasta alcanzar un valor máximo que tras alcanzar este se cierra para trasladar el producto a la cavidad de impulsión de la bomba a la par se inicia el desalojo del líquido de la cámara de trabajo en una cantidad igual a su volumen útil. Las bombas de paletas cuentan con un conjunto de aletas con cinemática radial. El rotor es un cilindro hueco con ranuras radiales en las que oscilan o deslizan las aletas. El rotor está colocado de forma excéntrica respecto al eje del cuerpo de la bomba. Las aletas realizan durante la rotación del rotor movimientos alternativos o de vaivén respecto al rotor. Las paletas se aprietan con sus extremos a la superficie interior del estator y deslizan por éste. El producto llena la cámara de trabajo entre dos paletas vecinas y las superficies correspondientes del estator y del rotor.
El volumen crece durante el giro del rotor, hasta alcanzar un valor máximo. Después se cierra y se traslada a la cavidad de impulsión de la bomba. Al mismo tiempo se inicia el desalojo del líquido de la cámara de trabajo en una cantidad igual a su volumen útil. No tienen el mismo grado de hermeticidad como otras bombas rotativas. Esto se puede mejorar aumentando el número de paletas.
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Entrada a la bomba de paletas Salida de la bomba de paletas Cuerpo de la bomba de paletas Distancia entre los dos ejes Distancia máxima entre rotor y estator Cámara de trabajo Espesor de las paletas Diámetro del rotor Diámetro del estator
Transporte del líquido por una bomba de paletas La paleta inicia el proceso de transporte en la parte superior (1). En este punto se encuentra la división entre el inicio y el final de cada ciclo de transporte. Pasando la paleta por la abertura de la entrada (2) empieza a generarse un efecto de succión causado por el volumen entre la paleta y la superficie interior del estator.
Este volumen se llama cámara de trabajo (3) que se llena con el líquido. Llegando la paleta a la abertura de descarga (4), el líquido queda entregado al sistema de la tubería hidráulica de descarga. La paleta llega otra vez a la parte superior (1) y se inicia un nuevo ciclo de transporte.
Cómo regular el volumen de trabajo de las bombas de paletas Las bombas de paletas admiten la posibilidad de regular su volumen de trabajo, modificando la excentricidad del rotor respecto al estator. Si disminuye la excentricidad, se reduce el suministro de la bomba, manteniendo invariable el número de revoluciones, y a la inversa, pero para eso se requiere que en la construcción de la bomba se prevea esta posibilidad, mediante el dispositivo adecuado.
El volumen de aceite suministrado por la bomba en cada vuelta del rotor está directamente relacionado con el grado de excentricidad entre el estator y el rotor. Esto quiere decir que podremos conseguir variar el caudal de la bomba simplemente encontrando el mecanismo adecuado que nos permita modificar la excentricidad entre el rotor y el estator. Veamos la siguiente figura.
Bomba de paletas de caudal variable y mando directo
Se trata de la sección de una bomba de paletas de caudal variable y mando directo, es decir, la posición del estator es ajustada directamente mediante tornillos de regulación, veamos cómo funciona. En esta figura el sistema impulsor está compuesto por el rotor (3) que gira en sentido horario, las paletas (4), las placas de
mando anterior (8) y posterior (11) y el estator (5). La posición de este último puede variar gracias a la posible modificación de tres elementos de ajuste:
Tornillo de ajuste de cilindrada máxima (9). Limita el caudal máximo que entrega la bomba. Tornillo de ajuste de la posición vertical del estator (2). Regula su posición vertical e influye directamente sobre el ruido y la dinámica de la bomba. Tornillo de ajuste de la presión máxima de servicio (7). Este tornillo ajusta el pretensado del resorte (6) limitando la presión del sistema.
En estas condiciones el rotor gira dentro del estator en sentido horario produciendo una fuerza centrífuga sobre cada una de las paletas que obliga a éstas a ejercer una cierta presión superficial contra la cara interna del estator. Las cámaras de desplazamiento formadas por el rotor (3), las paletas (4) y las placas de mando (8) y (11) comienzan a disminuir su volumen en la zona marcada en la anterior imagen con el color rojo, momento en el que alcanzan la conexión, mecanizada sobre la placa de mando (8), con el lado sometido a la presión del sistema P, el líquido bombeado es obligado a fluir a través de esta conexión hacia el circuito hidráulico. Esta misma presión P actúa igualmente sobre la cara interna del estator ejerciendo un esfuerzo que en la imagen está representado por el vector Fp. Este vector puede ser descompuesto en sus componentes horizontal Fh y vertical Fv. Se obtiene de esta forma un gran esfuerzo vertical que es absorbido por el tornillo de ajuste (2) de la posición vertical del estator y un segundo esfuerzo ejercido contra el resorte (6) que limita la presión del sistema. Mediante el tornillo de ajuste (7) de la presión del sistema podrá modificarse la tensión del resorte (6), modificando así la fuerza Ff ejercida por éste sobre el estator. Si aumenta la presión del sistema P, por ejemplo debido a un aumento de resistencia, el esfuerzo ejercido sobre la cara interna del estator Fp aumentará igualmente, la fuerza Fh ejercida contra el resorte vencerá la fuerza Ff ejercida por aquél y el estator se desplazará hacia la derecha, hacia la llamada posición cero, disminuyendo así el grado de excentricidad y por tanto la cilindrada de la bomba. En estas condiciones la bomba mantiene la presión del sistema, a su vez continúa fluyendo un cierto caudal de aceite entre el rotor y las placas de mando que permitirá la correcta lubricación y evacuación del calor generado en el sistema impulsor. Este pequeño caudal de aceite fluye hasta el tanque hidráulico a través de la conexión L llamada conexión de fugas. Cuando la presión del
sistema P alcance un valor tal que el esfuerzo Ff ejercido por el resorte (6) contra el estator (5) venza a la fuerza Fh generada por el sistema, el estator volverá a tomar una posición excéntrica con respecto al rotor, restableciéndose así el caudal de aceite hacia el sistema. Es clara ahora la influencia que, sobre la presión del sistema, tiene el tornillo de ajuste (7). Veamos ahora cómo funciona otro tipo de bomba de paletas de caudal variable muy similar al anterior y que de forma habitual podremos encontrar bajo la firma de varios fabricantes (Vickers, Rexroth, etc.). La única diferencia radica en que, en este caso, la posición del estator es ajustada en todo momento por un regulador, es decir, la variación del caudal de la bomba se realiza de forma precomandada. En la figura siguiente aparece la sección de una bomba de este tipo.
Bomba variable de paletas precomandada
El funcionamiento de la bomba es similar a lo explicado anteriormente, su sistema impulsor de aceite está compuesto por un estator (4), un rotor (2) que gira en sentido horario, el conjunto de paletas (3) y las placas de mando anterior y posterior (9). La diferencia principal radica en que, en esta ocasión y a diferencia del caso anterior, la posición del estator es ajustada mediante dos pistones de posicionamiento (10) y (11) que se encuentran cargados con una determinada presión hidráulica. Recordemos que en las bombas de mando directo era la acción de un resorte el que ajustaba la posición del estator. En la siguiente imagen puede apreciarse el principio de funcionamiento de las bombas variables de paletas precomandada y su diferencia con las de mando directo.
Mando directo a la izquierda y bomba precomandada con regulador R a la derecha
Los pistones que ajustan la posición del estator tienen distintos diámetros, aproximadamente la relación entre ambos es 2:1. La presión del sistema P llega a través de los canales adecuados, por un lado al pistón pequeño (10) y por el otro hasta el regulador de presión R que se encarga de alimentar al pistón de mayor diámetro (11). En estas condiciones y dada la diferencia de diámetros de ambos pistones el estator se encuentra en la posición de máximo caudal. El resorte (12) tiene la función de mantener igualmente el estator en la posición de máximo caudal cuando, en el arranque de la bomba, no se ha alcanzado aún la presión del sistema P. En la siguiente imagen aparece un esquema de funcionamiento del regulador en el que se mantiene la posición inicial del estator.
Esquema de funcionamiento del regulador. Posición original.
El regulador de presión está compuesto de un cilindro regulador (14) que se mueve dentro del cuerpo (5) y un resorte (13) que mantiene al cilindro regulador en su posición inicial. Este resorte puede ser regulado en tensión mediante un tornillo de ajuste que nos permitirá así regular la presión máxima del sistema . En estas condiciones la presión del sistema P alcanza, a través de un canal de la bomba, el cilindro regulador (14). Este cilindro regulador posee un taladro longitudinal y dos taladros transversales. A través de uno de los taladros transversales y una tobera, que limita el caudal que circula por el regulador, llega igualmente la presión del sistema P detrás del pistón (11) de mayor diámetro. El regulador de presión posee igualmente una conexión al tanque que, en este momento, se encuentra cerrada gracias a un pequeño cuello que posee el cilindro regulador. Mientras que la fuerza Fp ejercida por la presión del sistema sobre la superficie anular del cilindro regulador sea inferior a la fuerza Ff, ejercida por el resorte del regulador de presión, el estator de la bomba permanece en el estado inicial indicado, gracias a que los pistones (10) y (11) no varían su posición. Ahora bien, es fácil imaginar que ocurrirá cuando se produzca un aumento de la presión del sistema.. Echemos un vistazo a la siguiente imagen.
Esquema de funcionamiento del regulador. Posición descarga.
Cuando se produce un aumento de la presión P del sistema, la fuerza ejercida Fp sobre la superficie anular del cilindro regulador (14) vence a la fuerza Ff ejercida por el resorte (13) del regulador. El cilindro regulador se desplaza hacia la derecha abriendo la conexión a tanque. A través de esta conexión se descargará la presión detrás del pistón (11) de mayor diámetro. Como el pistón pequeño (10) aún está sometido a la presión del sistema moverá al estator (4) hacia la
derecha, reduciendo el grado de excentricidad entre estator y rotor y, por tanto, la cilindrada de la bomba. Este efecto continuará de esta forma hasta que el estator alcance la posición cero, la bomba deja de suministrar aceite y únicamente mantendrá la presión máxima tarada sobre el tornillo de ajuste del regulador de presión. Si la presión del sistema disminuye, se desplazará el cilindro regulador a su posición inicial empujado por el resorte (13), cerrándose la conexión a tanque y restableciéndose las posiciones iniciales de los pistones (10) y (11), el estator alcanza su posición excéntrica y se restablece el caudal suministrado por la bomba.
3. PARTES DE UNA BOMBA DE PALETAS
Anillo excéntrico Encargado de tener en su interior al rotor y brindar una pista de deslizamiento ovalada para las paletas, también el volumen de aceite suministrado por la bomba en cada vuelta del rotor está directamente relacionado con el grado de excentricidad entre el estator y el rotor.
Rotor Este se encuentra fijado en el eje, el cual a su vez está fijado sobre un cojinete. En el rotor se han mecanizado unas ranuras que alojan las paletas, cuando se pone en marcha el rotor las paletas resultan proyectadas hacia la pista interior del anillo excéntrico por acción de la fuerza centrífuga.
Paletas Las paletas al desplazarse hacia afuera se provocan succión y al hacerlo hacia adentro provoca presión. Este componente es el que presenta mayor desgaste dentro de una bomba de paletas.
Carcasa Encargado de brindar protección a los componentes que conforman la bomba de paletas, también posee cavidades y otras características propias del diseño
Cojinete Encargado de alojar al eje donde gira el rotor
Reten Encargado de evitar la fuga de aceite de la cámara interior de la bomba de paletas
Eje Este recibe el movimiento del motor, este gira sobre un cojinete que está en la carcasa y posee un estriado en su extremo donde se fija el rotor
Juntas toricas
Aquí encontramos O´ring los cuales tienen la función de la estanqueidad de fluidos
Anillos de seguridad Encargado de mantener las piezas, evitando movimientos innecesarios
4. INSPECCIÓN Y EVALUACIÓN DE LA BOMBA Paletas
Las paletas en el experimento se encuentras desgastadas, es decir fuera de los rangos aceptables, esto se debe a que dichas paletas sufren desgaste debido a la fricción existente entre paletas y la pista del anillo excéntrico.
Reten
El retén en el experimento se encuentra desgastado debido al movimiento del eje sobre este
O´ring
Este tipo de junta torica se encuentra en mal estado, presentando aplastamiento y picaduras 5. CONCLUSIONES
Este tipo de bomba brinda un buen caudal de fluido de trabajo
Las bombas de paletas son muy frágiles, debido al desgaste continuo de las paletas Mantenimiento sencillo y rápido. No hay compresión, empuja, arrastra. Capacidad para transportar productos de alta viscosidad. Bomba volumétrica sea cual sea la velocidad de rotación o la viscosidad. Gran poder de aspiración. Sencillez técnica. Gran vida útil. Volumen de trabajo variable. Válvula de seguridad integrada permitiendo la protección del circuito
