APUNTES DE CLASES- Bombas y Motores 2016.pdf

2016 Escuela de Ingeniería Mecánica Universidad Industrial de Santander

BOMBAS Y MOTORES SEGUNDA PARTE CURSO POTENCIA FLUIDA

APUNTES DE CLASE DE POTENCIA FLUIDA PROF. ABEL PARADA CORRALES ING. MEC. M.SC. Los sistemas de potencia fluida o también llamados en ingles “Fluid Power System”, representan un conjunto de elementos instalados de manera solidaria en torno a un motor eléctrico o diesel y una bomba; y de manera relevante un depósito de aceite, que suministran fluido hidráulico listo para ser utilizado en condiciones de seguridad y funcionalidad.

APUNTES DE CLASE DE POTENCIA FLUIDA Ing. Mec. M.Sc.

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Prof. ABEL PARADA CORRALES

BOMBAS HIDRAÚLICAS

Convierten la energía mecánica transmitida por un motor primario (motor eléctrico, motor de combustión interna, diésel) en energía o potencia hidráulica. Se genera un volumen creciente en el lado de succión y un volumen decreciente en el lado de presión. Sin embargo, los componentes que llevan a cabo esta función no son los mismos en todas las bombas. Figura 1. Generalización de bombas hidráulicas

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Figura 1.

5.1. Bombas hidrodinámicas    

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Se utilizan principalmente para transferir fluidos donde la única resistencia que se encuentra es la creada por el peso del mismo fluido y el rozamiento. No existe ninguna separación entre los orificios de entrada y salida, y su capacidad de presión depende de la velocidad de rotación. Aunque estas bombas suministran un caudal uniforme y continuo, su desplazamiento disminuye cuando aumenta la resistencia. La mayoría de las bombas de desplazamiento no positivo funcionan mediante al fuerza centrífuga, según la cual el fluido al entrar por el centro del cuerpo de la bomba, es expulsado hacia el exterior por medio de un impulsor que gira rápidamente. Estas bombas se utilizan muy pocas veces en los sistemas hidráulicos modernos.

5.2. Bombas de desplazamiento positivo 

Suministran una cantidad determinada de fluido en cada carrera, revolución o ciclo. Su desplazamiento, exceptuando las pérdidas por fugas, es independiente de la presión de salida, lo que las hace muy adecuadas para la transmisión de potencia. 2


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Su entrega es también proporcional a la velocidad de rotación. El tipo de bomba de desplazamiento positivo que se emplea comúnmente en los sistemas hidráulicos de las máquinas, no es de tipo émbolo alternativo sino de tipo rotatorio. La bomba rotatoria entrega un flujo continuo de líquido presurizado, prácticamente libre de pulsaciones, y puede ser fácilmente impulsada por un motor eléctrico o por un motor de combustión interna. Cada revolución de la bomba desplaza un volumen fijo de líquido. En un sistema hidráulico industrial, el tipo de bomba utilizado es de desplazamiento positivo. (bombas de paletas, engranajes y pistones). Todas las bombas de los sistemas hidráulicos son unidades de desplazamiento positivo. Un sello mecánico separa la entrada de la salida. La resistencia al fluir aumenta (crea) la presión del sistema hidráulico. El flujo a determinada presión es potencia hidráulica. Las bombas están generalmente determinadas por la máxima presión de operación. Operaciones más allá de estos puntos originan falla prematura. Con frecuencia una bomba está determinada por dos presiones una continua y una intermitente. La rotación en el sentido horario es más común. Algunas bombas pueden rotar en ambas direcciones y funcionar igualmente bien en los dos sentidos. Otras sin embargo, aunque igualmente pueden operar en ambas direcciones, primero deben ser convertidas mecánicamente para funcionar en reverso. En general, las unidades de tipo de engranajes tienen el costo inicial más bajo, las bombas de paletas son intermedias, y las bombas de pistones tienen un alto costo inicial. La relación entre la eficiencia volumétrica y la mecánica cambia con la presión y la velocidad de operación. El coeficiente de pérdidas (𝜆𝑏 ) está involucrado en el caudal que se pierde por drenaje a tanque y es función de la velocidad, la temperatura y la presión. Con frecuencia el diseñador de bombas calcula este valor experimentalmente, controlando los diferentes parámetros. La mayoría de las bombas operan entre las velocidades mínima y máxima especificada. La excesiva baja velocidad puede ser tan indeseable como la alta velocidad exagerada.

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5.3 CLASIFICACIÓN DE LAS BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO

Figura 2. Mapa conceptual de bombas hidráulicas

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5.4 BOMBA DE DESPLAZAMIENTO FIJO

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5.4.1   

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BOMBAS DE ENGRANAJES

La acción de bombeo en las bombas de engranajes ocurre cuando embonan y desembonan los dientes de un par de engranajes. El engranaje impulsor está acoplado a un eje que a su vez está conectado a un motor primario. El otro engranaje es el engranaje impulsado. Conforme el engranaje impulsor gira, a causa del motor primario, los dientes embonan y gira el engranaje impulsado. (La acción de los dientes, al embonar y desembonar, genera un volumen creciente y decreciente). En la entrada, donde los dientes desembonan (volumen creciente), el fluido penetra en la carcasa. El fluido queda atrapado entre los dientes del engranaje y la carcasa y se transporta al otro lado del engranaje. (En este punto, los dientes de los engranes embonan-volumen decreciente- y expulsan el fluido de la bomba hacia el sistema. En este tipo de bombas se tiene un sello positivo entre los dientes y la carcasa, y entre los dientes embonados. Generalmente las bombas de engranajes tienen un diseño desbalanceado.

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5.4.1.1 BOMBAS DE ENGRANAJES EXTERNOS

Figura 3.

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Figura 4. Bombas de engranajes externos      

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Una bomba de engranajes externos, tiene los dientes en sus circunferencias exteriores. También se conocen como bombas de engrane sobre engrane. Utilizan básicamente tres tipos de engranes: (Rectos, con dientes angulares, Helicoidales). Como el engranaje recto es el más fácil de contribuir, este tipo de bomba es el más común y más barata de las tres. Aguanta ondas de choque. Una bomba de engranajes suministra un caudal, transportando el fluido entre los dientes de dos engranajes bien acoplados. Las cámaras de bombeo, formadas entre los dientes de los engranajes, están cerradas por el cuerpo de la bomba y por las placas laterales (llamadas frecuentemente placas de presión o de desgaste). Los engranajes giran en direcciones opuestas, creando un vacío parcial en la cámara de entrada de la bomba. El fluido se introduce en el espacio vacío y es transportado, por la parte exterior de los engranes, a la cámara de salida. Cuando los dientes vuelven a entrar en contacto los unos con los otros, el fluido es impulsado hacia afuera. La alta presión existente a la salida de la bomba impone una carga no equilibrada sobre los engranajes y los cojinetes que los soportan. En general, las bombas de engranajes no están equilibradas hidráulicamente debido a que la alta presión en el orificio de salida impone una carga no equilibrada sobre los engranajes y cojinetes. Cojinetes grandes incorporados en este diseño equilibran las cargas. Estas bombas pueden llegar a trabajar a presiones de hasta 3600 PSI con una compensación adecuada de las cargas axiales. La mayoría de las bombas de engranajes son de desplazamiento fijo y pueden desplazar desde pequeños hasta grandes volúmenes de fluido.

Las bombas de engranajes económicas se utilizan para bajas presiones. No son capaces de subir 1000 psi., subirán a 2000 y 3000 psi colocándoles un plato de presión. (Materiales elasto-plásticos).     

Los ejes son gruesos para que no se flecten. Se les colocan más dientes para mejorar las pulsaciones. Tienen un 𝜂𝑣𝑏 = 0,92 − 0,95. El talón de Aquiles de esta bomba es su sensibilidad a la filtración. Requieren buenos niveles de filtración debido a que la tolerancia radial que existe entre el diente del engranaje y la pista de la carcasa, es muy susceptible

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a ser rayada, lo cual traerá como consecuencia que la bomba ya no levante la presión con al cual fue diseñada, se recomienda utilizar filtros. En general, la mayoría de las bombas de engranajes no tiene fugas externas (cuando hay flujo a través de la carcasa). Consecuentemente su eficiencia volumétrica es afectada sólo por las fugas desde el puerto de presión al puerto de succión, fugas internas. Tienen drenaje interno. El sello de mecanismo entre al entrada y la salida está formado por el ajuste de los dientes engranados y el ajuste entre los engranajes y la carcasa de la bomba. Las bombas de engranajes de alta presión, están diseñadas con placas de desgaste flotantes, también conocidos como placas de empuje (tienen superficies de bronce y están mecánicamente forzadas contra las caras de los engranajes pero con carga ligera). Las placas de desgaste presurizadas reducen las fugas a un mínimo sin crear excesiva fricción mecánica. Por otro lado permiten que la bomba compense por sí misma el desgaste. Tienen otro defecto, el ruido. Este es una combinación de ruido mecánico debido al engranar de los dientes, e hidráulico creado por la alta frecuencia de los pulsos de presión ocasionados por el alto número de cámaras de bombeo. Las bombas con engranajes helicoidales son silenciosas, pero producen un empuje axial no deseado. Este tipo de empuje se puede abolir con el uso de engranajes Herringbone. No puede cambiarse su sentido de rotación por cambios internos. La mayoría de las bombas con capacidad de autocebado tiene un puerto de succión más grande que el de descarga. Esto facilita el uso de la tubería de succión adecuada en la entrada de la bomba. En consecuencia, sí solo se cambia la dirección de rotación, la bomba tratará de impulsar el flujo a través de un puerto más pequeño, mientras que bombea a un puerto más grande. Esto no sería recomendable. El flujo que maneja no depende del diámetro de los orificios. La velocidad máxima permitida es de 3200 RPM. La principal causa de fallas en las bombas de engranajes externos probablemente, es debida a fallas en los cojinetes, (por las fuerzas de presión desbalanceadas). Por esta razón las bombas de engranajes baratas están usualmente limitadas a presiones de operación máximas de 1500 PSI o menos. En los casos de operación extrema, cuando las cargas permitidas de los cojinetes se exceden, se puede esperar que el cojinete de la rueda conducida falle primero. Para tener un espesor adecuado de la película y evitar el contacto metal a metal y el desgaste, se requiere de unas RPM mínimas y de una viscosidad del fluido 9


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mínima. Por tanto, se debe evitar la operación en condiciones de altas cargas bajas RPM y altas temperaturas. Las bombas de engranajes externas pueden operar a altas presiones (más de 4500 PSI), simplemente equipándolas con una estructura de apoyo adecuada, para soportar estas cargas hidráulicas desbalanceadas. Las bombas de alta presión tienen ejes de gran diámetro que ofrecen resistencia y permiten el uso de rodamientos más grandes. Dependiendo del diseño de la bomba estos cojinetes suelen ser rodamientos de agujas o bujes hidrodinámicos (lubricados a presión). Los engranajes helicoidales y de espina de pescado, ofrecen un flujo más uniforme que los engranajes rectos, aunque todos los tipos de engranajes producen flujos relativamente uniformes. Las bombas de engranajes externas de gran capacidad, normalmente usan engranajes helicoidales o de espina de pescado. Es posible girarlas manualmente. El diámetro del puerto de entrada es mayor que el del puerto de salida. Son desbalanceadas hidráulicamente. Estas bombas no sirven para fluidos viscosos.

5.4.1.2 BOMBAS DE ENGRANAJES INTERNOS

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Figura 5 . Bombas de engranajes internos.

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En ocasiones este tipo de bomba es conocida como bomba de engrane dentro engrane. Una característica muy favorable de estas bombas, es su bajo nivel de ruido. 11


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Una ventaja es que la ruedas engranan y desengrana a una velocidad relativamente más baja generando un fluido más uniforme, también le permite arrancar con fluidos más viscosos durante las condiciones frías de encendido. (También el desengranar menos radical de los dientes a la salida de la bomba significa un fluido de salida más uniforme, y en consecuencia, un menor nivel de fluido durante la operación). Existen bombas diseñadas para trabajar a 3000 PSI, por lo general trabajan a 2000 PSI. En esta bomba, las cámaras de bombeo, también están formadas entre los dientes de los engranajes. Una pieza de separación, en forma de media luna, está mecanizada en medio de los engranajes y situada entre los orificios de entrada y de salida, donde la holgura de los dientes de los engranajes es máxima.

5.4.1.2.1 BOMBAS GEROTOR

Figura 6. 

Una bomba de rotor engranado es una bomba de engranajes internos con un engranaje interno y otro externo impulsado. El engranaje interno tiene un diente menos que el engranaje externo 12


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Funciona de manera muy similar a la bomba de engranajes internos Levanta entre [500 - 2000 Lb]. Es muy difícil moverla manualmente. Produce un poco menos de ruido. Sirven en zonas frías para los arranques. Aunque se encuentra clasificada como bomba de transporte de fluidos altamente viscosos, se ha utilizado en hidráulica por su bajo nivel de ruido y por su excelente desempeño en condiciones de baja temperatura. Posee una marcha tranquila y buena conducta de aspiración. El fluido entra a la bomba cuando los espacios entre los dientes giratorios aumentan durante la primera mitad de cada giro. Cuando estos espacios disminuyen en la segunda mitad del ciclo, obligan a salir al fluido. Dado que entre el rotor dentado y la rueda dentada prácticamente no existe un espacio muerto, por esta razón no presentan pulsaciones de presión y son sumamente silenciosas. El georotor tiene un talón de Aquiles y es el ajuste por interferencia. Estas bombas tienen un diseño desbalanceado. El fluido que entra al mecanismo de bombeo queda separado del fluido que se descarga mediante una placa de puertos, como sucede en una bomba de paletas. Mientras el fluido avanza de la entrada a la salida, se mantiene un sello positivo conforme los dientes del engrane interno siguen el contorno de crestas y valles del engrane externo. Por lo general se trabaja como bomba de precarga. Excelente desempeño en condiciones de baja temperatura. Figura 7. Bomba tipo Georotor

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5.4.1.2.2 BOMBA DE LOBULOS     

Típica bomba para el transporte de fluidos, no para alta presión. Es una bomba para transporte de fluidos viscosos. No aparece dentro de las bombas clásicas Esta bomba funciona según el mismo principio que la bomba de engranajes externos pero tiene un desplazamiento mayor. Esta bomba tiene menos sellos y entonces maneja menores presiones.

Figura. 8 Bomba de lóbulos

5.4.2 BOMBAS DE PALETAS

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Figura 9. Bombas de paletas

Figura 10. Bomba de Paletas  

Consta de un rotor, paletas, anillo y una placa con puerta de entrada y salida en forma de riñon Una vez que la bomba arranca y la presión del sistema empieza a crecer debe existir un sello muy fuerte entre las paletas y el anillo, de modo que no

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aumenten las fugas. Para producir un mejor sello a presiones altas, las bombas de paletas industriales dirigen la presión del sistema hacia la parte inferior de las paletas. Con esta modificación, conforme aumenta la presión del sistema se produce una mayor fuerza que expulsa las paletas contra la leva anillada. Si las paletas se cargan hidráulicamente en esta forma, se produce un sello muy firme. Sin embargo, tanto las paletas como la leva anillada se desgastarán excesivamente si la carga de las paletas es muy grande y las paletas se opondrán al rotor con una fuerza de arrastre. Un vacío parcial se crea a la entrada de la bomba a medida que va aumentando el espacio comprendido entre el rotor y el anillo. El aceite que entra en este espacio queda encerrado en las cámaras de bombeo y es impulsado hacia la salida cuando este espacio disminuye. El rotor está excéntrico respecto al eje del anillo. Cuando el rotor gira se forma un volumen creciente y otro decreciente dentro del anillo. La placa de puertos está acoplada sobre el anillo, el rotor y las paletas. (El puerto de entrada de la placa se localiza donde se forma el volumen creciente, y el puerto de salida de la placa se localiza donde se genera el volumen decreciente). Los puertos están conectados respectivamente a los puertos de entrada y salida de la carcasa de la bomba. Los orificios de entrada y salida tienen diámetro diferentes. El diseño no equilibrado se aplica principalmente a las bombas de caudal variable, en estás el eje está sometido a cargas laterales, procedentes de la presión que actua sobre el rotor. Las bombas de paletas tienen drenaje interno mientras que los motores de paletas tiene drenaje externo porque la línea tiene presión. Requieren altos niveles de filtración, debido al diseño de las paletas. (Se recomienda utilizar sistemas de filtración mágneticos para capturar partículas de hierro o acero que lleva el fluido). Por lo general, son operadas a 1200 RPM y presiones entre 1000 y 1500 PSI. Requieren una velocidad mínima de 600 RPM en el arranque. El desplazamiento de la bomba depende de la anchura del anillo y del rotor, y de la separación de los mismos. Son bombas fiables de rendimiento elevado y de fácil mantenimeinto. Además tienen un bajo nivel sonoro y una larga duración. Las bomba de paletas pueden ser de desplazamiento fijo o variable. Las de desplazamiento fijo; pueden ser no balanceadas, o pueden estar simétricamente colocadas para balancear las fuerzas de reacción, y las de

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desplazamiento variable; pueden estar ajustadas para entregar todo el fluido o flujo reducido como se requiere para satisfacer las demandas del circuito. En el caso de las bombas no equilibradas hidráulicamente se forma cavidad, la cual se debe al espacio que queda entre el rotor ubicado excéntricamente y el anillo, en este caso circular. En las bombas equilibradas hidráulicamente el anillo tiene forma elíptica, formándose dos cavidades siméetricas a lado y lado del rotor ubicado en el centro del anillo. El estrecho sello entre las paletas, el rotor del anillo y las placas laterales, es lo que ocasiona las buenas características de succión comunes a todas las bombas de paletas. El caudal de salida de las bombas de paletas balanceadas se determina por las altura de la paleta en el anillo de la leva, el ancho de la paleta del rotor y la velocidad del eje rotor. El rendimiento volumetrico de estas bombas 𝜂𝑣𝑏 presenta las siguentes características; aumenta al disminuir la temperatura del aceite, disminuye al aumentar la temperatura del aceite, disminuye al aumentar la presión de trabajo, se afecta por la cavitación y depende de tres factores: viscocidad, presión y tempertura. La cavitación puede ocurrir por; caudal insuficiente en la entrada de la bomba, viscocidad del aceite muy alta, tubería de succión demasiado estrecha, velocidad excesiva de rotación y filtro en el taque muy sucio. Se recomienda aceite mineral procedente del pétroleo con cualidades antidesgaste adecuadas.

5.4.2.1 BOMBAS DE PALETAS BALANCEADAS O EQUILIBRADAS.

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Figura 11.

Figura 12.  

Tienen capacidad de presión de 2200-2500 PSI. En este diseño el anillo es elíptico en vez de ser circular, lo que permite utilizar dos conjuntos de orificios internos. Los dos orificios de salida están 18


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separados entre sí 180 º de tal forma que las fuerzas de presión sobre el rotor se cancelan, evitándose así las cargas laterales sobre el eje y los cojinetes. El desplazamiento de la bomba equilibrada hidráulicamente no puede ajustarse, aunque se dispone de anillos intercambiables con elipses distintas, haciéndose así posible modificar una bomba para aumentar o disminuir su caudal. Se obtienen tiempos de operación de 24000 horas o más en aplicaciones industriales; en condiciones más severas, que se encuentran en las aplicaciones móviles, se alcanzan frecuentemente tiempos de operación de 5000 a 10000 horas. En una bomba existen dos presiones muy diferentes, la presión de trabajo del sistema y una presión menor a la atmosférica. En una bomba de paletas, la mitad del mecanismo de bombeo está a una presión menor a la atmosférica y la otra mitad está sometida a la presión del sistema. La bomba de paletas balanceada consta de una carcasa, leva anillada, rotor, paletas y una placa con puertos de entrada y salida que se encuentran opuestos uno al otro. Las bombas de paletas de desplazamiento positivo y caudal constante, utilizadas en sistemas hidráulicos industriales, son, por lo general, de diseño balanceado. Las placas de presión se utilizan para mantener una alta eficiencia volumetrica y adaptación a la expansión térmica. Los cuales automáticamente se ajustan a la expansión y contracción térmica del rotor, y al desgaste del mismo. Las placas están recubiertas con un material de buenas características antifricción, para asegurar una larga vida. Estan las bombas de paleta tipo cuadrado que manejan presiones de trabajo y velocidades de rotación mayores que las de tipo redondo. Las bombas de paletas de tipo cuadrado consiguen la estanqueidad por placas de presión. (Estanqueidad lateral: inicialmente por muelle y después por presión hidráulica). La posición relativa de los puertos de entrada y salida es modificable. Se puede girar manualmente. Su drenaje es interno.

5.4.2.2 BOMBAS DE PALETAS TIPO REDONDO El conjunto rotativo o cartucho está formado por un anillo, rotor, paletas, pasador de posición y dos placas laterales denominadas generalmente anillos, porque sus 19



partes centrales están mecanizadas para encajar en las partes centrales del rotor. Los cojinetes de soporte del eje de accionamiento están situados en la tapa y en el cuerpo. 

Es equilibrada hidráulicamente.

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Estas bombas tienen drenaje interno.

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En este tipo de bombas se consigue estanqueidad por anillos de bronce.

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Es posible girarlas manualmente.

5.4.2.3 BOMBAS DE PALETAS TIPO INSERTO (High Performance). VQ (Eaton-Vickers)

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Figura 13. Bomba tipo inserto

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Figura 14. Bombas de paletas tipo inserto.

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Tienen capacidad de presión de 3000-3500 PSI. La presión del sistema se dirige al área por encima de la paleta pequeña. Esto resulta en menor carga sobre las paletas, mientras se despresuriza cuando pasa por la succión.

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Llevan incorporadas unas pequeñas paletas internas dentro de las paletas mayores, el próposito de las pequeñas paletas es hacer variar la fuerzaa de contacto contra el anillo, en los cuadrantes de baja presión.

Figura 15. Figura paleta

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Llevan agujeros taladrados a tráves de los segmentos del rotor, que mantienen siempre la misma presión en los dos extremos de la paleta. En sistemas de alta presión el empleo de paletas con extremo biselado aún provoca demasiado desgaste y una resistencia alta. La presión de salida se aplica constantemente a la pequeña superficie entre la paleta y la paleta interna; está presión además de la fuerza centrífuga, mantiene las paletas en contacto con el anillo, en los cuadrantes de entrada, para asegurar un funcionamiento correcto.

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Se utilizan para obtener presiones más elevadas y mayores velocidades de accionamiento. Cuando la paleta está en la zona de baja presión, sólo una pequeña área (la de la paleta interna), recibe la alta presión de salida, lo cual disminuye la fuerza que mantiene a la paleta en contacto con el anillo. Pero cuando la paleta está en una zona de alta presión, toda el área proyectada inferior de la paleta recibe la presión alta de salida, lograndose que las paletas queden presurizadas por todas partes menos el bisel de corte superior en las paletas.

El

problema

era

la

succión, por eso se diseñó el inserto y se hicieron tres taladros antes de cada paleta.

Figura 16. Figura paleta inserto

5.4.2.4 BOMBAS DE PALETAS TIPO DOBLE PALETA

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Figura 17. Bombas de doble paleta

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Figura 18. Con este diseño, la presión en la base de la paleta es canalizada al área entre las puntas, de las paletas. Esta presión balancea la carga de la paleta contra el anillo, obteniéndose cargas óptimas sobre la punta de las paletas a presiones de 4000 PSI, y la presión de la bomba no actúa sobre las paletas en la succión.   

Las dos paletas proveen un doble sello entre las cámaras de bombeo. La doble paleta permite un balance hidráulico de las paletas, reduciendo la carga en las puntas de las paletas. Se colocan dos paletas por cada ranura de paletas en el rotor o paletas únicas con varios taladros desde la parte superior hasta la inferior de cada paleta.

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5.4.2.5 BOMBA Doble O Bomba combinada. La bomba de paletas que se ha mencionado anteriormente se conoce como una bomba sencilla; esto es, consiste en una entrada, una salida y un solo cartucho ensamblado. Una bomba de paletas dual consiste de una carcasa con dos cartuchos ensamblados, una o dos entradas y dos salidas separadas. En otras palabras, una bomba dual consiste en dos bombas dentro de una misma carcasa.   

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Una bomba dual puede descargar, por cada salida, dos caudales diferentes. Como los dos cartuchos de la bomba están conectados al mismo eje, sólo se necesita de un motor primario para mover toda la unidad. Con frecuencia las bombas duales se utilizan en circuitos alta-baja y cuando se necesitan dos caudales diferentes suministrados por la misma unidad de potencia. Son bombas dobles que llevan incorporadas válvulas de seguridad y de descarga. Suministran una sola fuente de potencia capaz de alimentar dos circuitos independientes o suministrar un volumen mayor de fluido mediante una combinación de caudales. La mayoría de estas bombas llevan una entrada en común en el centro del cuerpo. Generalmente la mayor de las dos está en el extremo del eje, la segunda está en la tapa.

5.4.2.6 Cartucho de recambio  

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Generalmente el mecanismo de bombeo de una bomba de paletas industrial es una unidad integral conocida como cartucho ensamblado. Un cartucho ensamblado consta de; paletas, rotor y una leva anillada colocada entre dos placas de puertos (estas placas de puertos son diferentes a os otros diseños). Una de las ventajas de usar cartuchos ensamblados es la facilidad para dar servicio a la bomba. Después de cierto tiempo las partes de la bomba 28


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desgastan; entonces, el mecanismo de bombeo puede moverse fácilmente y ser reemplazado con un nuevo cartucho ensamblado. También sí por alguna razón debe incrementarse o disminuirse el caudal de la bomba, se puede reemplazar rápidamente el mecanismo de bombeo en uso por un cartucho ensamblado con la misma dimensión exterior, pero con el caudal deseado. Están montados para girar a la derecha o a la izquierda pero si es necesario, pueden volver a montarse para girar en sentido opuesto. Las flechas y los pasadores sirven como guías del sentido de rotación.

Figura 19. Cartucho de recambio

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5.4.3 Bombas de Pistones 30



Figura 20. Bomba de pistones Todas las bombas de pistones funcionan según el principio de que un pistón moviéndose alternativamente dentro de un orificio, aspirará fluido al retraerse y lo expulsará en su carrera hacia adelante.  

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Los dos diseños básicos son radial y axial; ambos están disponibles con desplazamiento fijo o variable. Las zapatas de los pistones son forzadas contra la superficie del plato basculante, por medio de la placa de zapatas y los resortes. A estas, también se les llama casquillos. Para separar el fluido de entrada de él de descarga, una placa de puertos se coloca en el extremo del barril de cilindros opuesto a la placa basculante. Se debe llenar con aceite la carcasa antes de ponerlas en funcionamiento. Tienen un rendimiento volumétrico muy elevado. Su drenaje es externo, la línea de drenaje de la carcasa debe estar construida para que siempre esté llena de aceite y debe operar con un rango de presión entre los 5 PSI y los 15 PSI. Al invertir el sentido de giro de rotación en una bomba de pistones; se debe cambiar la posición relativa de la placa oscilante, cambiar la dirección de flujo a través de la bomba. Esto es posible hacerlo en unidades de desplazamiento fijo y variable. Las bombas de pistones pueden subir a mas de 5000 31


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El plato basculante o placa de presión, es la que origina el movimiento recíproco de los pistones. Los pistones se hacen huecos para reducir peso y por consiguiente reducir el efecto de las fuerzas dinámicas. Esta bomba genera un volumen creciente cuando el pistón se jala y decreciente cuando el pistón se empuja, hacia afuera y hacia adentro de un cilindro, respectivamente. La desventaja de este tipo de bomba es que la bomba entrega un caudal pulsante, y esto dificulta su operación por medio de un motor eléctrico o por un motor de combustión interna. Las bombas de pistones axiales son las bombas de pistones más populares en aplicaciones industriales.

5.4.3.1 BOMBA DE PISTONES AXIALES O EN LÍNEA

Figura 21 . Bomba de pistones axiales

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Las bombas de pistones axiales pueden operar a presiones alrededor de 5000 PSI y pueden girar a velocidades de 6000 RPM. Pueden manejar altas capacidades de flujo de 100 GPM. En estas bombas el conjunto de los cilindros y el eje de accionamiento tienen la misma línea central y los pistones se mueven alternativamente en sentido paralelo al eje. El eje de accionamiento hace girar el barrilete, conteniendo los pistones, que están ajustados en sus alojamientos y conectados mediante patines y un

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anillo inclinado de forma que los patines están apoyados sobre una placa circular inclinada (placa de presión). A medida que el barrilete gira, los patines siguen la inclinación de la placa, haciendo que los pistones tengan un movimiento alternativo. Los orificios, en la placa de distribución, están dispuestos de tal forma que los pistones pasan por la entrada cuando empiezan a salir de sus alojamientos y por la salida cuando se les obliga a entrar. En estas bombas, el desplazamiento viene también determinado por el número y tamaño de los pistones, así como por la longitud de su carrera que depende del ángulo de la placa circular inclinada. Las bombas de pistones axiales convierten el movimiento rotacional del eje en un movimiento reciprocante axial del pistón. Los tipos más difundidos de bombas axiales son los diseños en línea y en ángulo. Ambos diseños en sus versiones de desplazamiento fijo, son usados más frecuentemente como motores. También ambos están disponibles en versiones de desplazamiento variable. Su relación de peso por caballo es relativamente baja. En algunas bombas, la placa puede moverse de un lado a otro del centro para invertir la dirección de la rotación del flujo sin cambiar la rotación del eje motriz de la bomba. El plato de desplazamiento fijo no es más que un anillo de acero con un ángulo de 15° con respecto a la vertical de la carcasa en la bomba, la película de lubricación hidrodinámica entre la superficie del pistón y el plato de lubricación es creada por un patín cojinete de bronce, este patín cojinete tiene una cavidad esférica que conecta el pistón contra el plato de lubricación por un anillo de retención. La placa de distribución es un anillo de bronce con dos semicírculos en forma de riñón, que están conectados por unos pasajes en la carcasa de la bomba a los puertos de succión y de descarga en la bomba. Para asegurar una alta eficiencia volumétrica en el barrilete (camisa) de los pistones debe ser cargado con presión contra la superficie de la placa de distribución. Para un óptimo balanceo de las fuerzas generadas por la presión en el interior de la camisa, se ha creado el diseño en forma de área de riñón en la placa de los puertos de descarga y de succión, la cual tiene menos área efectiva que produzca una fuerza de presión mayor en la camisa contra el plato de puertos. Básicamente hay cuatro condiciones de operación las cuales causan falla del patín:

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Su flujo es pulsante debido a los pistones. Para el diseño del eje de estas bombas se calcula deformación cero. Antes de arrancar la bomba debe estar llena de aceite. Son las bombas más parecidas a las bombas de agua. Sí se aumenta el ángulo más de 18°, aumenta el ruido y se vuelven ineficientes. La placa de distribución que está fija también se le llama ranura de puertos.

Figura 22. Lubricación bomba pistones axiales.   

El talón de Aquiles de la bomba de pistones es el patín ya que si no se lubrica adecuadamente falla. Las bombas de pistones se deben precargar (Importante las especificaciones). Cuando una bomba de pistones arranca en vacío se ralla y por lo tanto baja la eficiencia, por esta razón se usa una bomba de precarga.

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5.4.3.2 BOMBA


DE PISTONES AXIALES DE

EJE QUEBRADO.

Figura 23. Bomba de pistones axiales eje flexionado 37



Figura 24. El mecanismo de bombeo de las bombas de pistones en ángulo consiste de:

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También llamadas de eje flexionado o de pistones en ángulo. En esta bomba el barril de cilindros no está en línea con el eje del motor primario, sino que se encuentra inclinada a un cierto ángulo. Con este diseño, conforme gira el eje los pistones son extraídos del barril en la mitad de la revolución del barril generando volumen creciente y en la otra mitad de la revolución, los pistones son empujados y se produce un volumen decreciente. El eje de accionamiento está unido al bloque de cilindros por medio de una unión universal, para mantener el alineamiento y para asegurar que giren simultáneamente. Está unión no transmite fuerza excepto para acelerar o 38


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desacelerar el bloque de cilindros y para vencer la resistencia del bloque, que gira dentro de la carcasa llena de aceite. Los vástagos de los pistones están fijados a la brida del eje mediante juntas esféricas. El desplazamiento de esta bomba varía con el ángulo de inclinación, siendo el ángulo máximo de 30º y el mínimo de 0º. Los modelos de desplazamiento constante están disponibles generalmente, con ángulos de 23º a 30º. Los modelos de caudal variable se utiliza un bloque oscilante con un control externo para variar el ángulo. Se utilizan para trabajo severo, altos flujos, altas presiones y altas velocidades de operación. Presentan características similares, a los diseños en línea, como la eficiencia, niveles de ruido, confiabilidad, etc. Una de las mayores ventajas del diseño de una bomba de pistones axiales de eje quebrado, es que el movimiento del torque primario es transformado directamente en una fuerza de presión lineal y esta a su vez está relacionada directamente con la presión del sistema. Una bomba de pistones axiales de eje quebrado es más conveniente en aplicaciones que están sujetas a autocebado a diferencia de la bomba de pistones axiales en línea. En la bomba de pistones axiales en línea un alto vacío podría separar el cojinete patín de deslizamiento del pistón, en una bomba de pistones axiales de eje quebrado esto no ocurre. El pistón está unido a un rodillo por ajuste en frío. Puede desarrollar una alta condición de vacío en la camisa sin presentar daños mecánicos. Puede crear un vació equivalente a 9” de mercurio, y está en su capacidad de bombear un fluido con una viscosidad por encima de 4600s.u.s durante el arranque en frío. El puerto de succión puede hacerse más grande que el mismo puerto de una bomba de pistones axiales en línea.

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5.4.3.3 BOMBA DE PISTONES RADIALES

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La bomba de pistones radiales, tienen una capacidad más alta de presión continua, cuando es comparada con otra bomba. Están disponibles en rangos de presión continua en una proximidad de 10000 PSI. Esta bomba es una unidad altamente eficiente, incluso a 10000 PSI, una bomba típica opera a una eficiencia volumétrica superior al 93%, con una eficiencia total promedio de 86%, por esta razón las bombas de pistones radiales pueden ser operadas en un circuito que no demande mayores exigencias de caudal. Las aplicaciones típicas pueden incluir abastecimiento de potencia para máquinas herramientas manuales, gatos hidráulicos, extractores de rodamientos, tenazas hidráulicas y en circuitos de abrazadera de alta presión. Tiene un número impar de pistones, debido a que la manera de entrega del fluido se haga de una forma continua superponiendo el volumen desplazado en cada una de las cámaras y no tener una variación tan pulsante, como en el caso de tener un numero de pistones par. El bloque de cilindros gira sobre un pivote estacionario y dentro de un anillo circular o rotor. A medida que el bloque va girando, la fuerza centrífuga, la presión hidráulica o alguna forma de acción mecánica, obliga a los pistones a seguir la superficie interna del anillo, que es excéntrico con relación al bloque de cilindros. Al tiempo que los pistones se desplazan alternativamente en sus cilindros, los orificios localizados en el anillo de distribución les permiten aspirar fluido cuando se mueven hacia afuera y descargarlo cuando se mueven hacia adentro. 43


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El desplazamiento de la bomba viene determinado por el tamaño y número de los pistones y, naturalmente, por la longitud de su carrera. Las bombas de pistones radiales, convierten el movimiento rotacional del eje en un movimiento reciprocante radial de los pistones. No son tan usadas como las de tipo axial. Los modelos de desplazamiento variable funcionan moviendo el anillo circular para aumentar o disminuir la carrera de los pistones. Hay disponibles controles externos de varios tipos para este fin. Como consecuencia de una exigencia de nivel de presión alto la capacidad de flujo baja, pero esto hace que la bomba de pistones radiales sea una posibilidad ideal para sostener presión durante un ciclo. Las capacidades de presión más altas son obtenidas únicamente con diámetros de pistón pequeño. Al incrementar el diámetro del pistón obtenemos granes capacidades de flujo, pero bajarán los límites de presión. La sobre presurización en las bombas de pistón de gran tamaño de pistón generalmente causa daños en los cojinetes. Se debe tener precaución en el arranque de esta bomba. Cuando se inicia el arranque en una instalación con una bomba de pistones radiales, es aconsejable descargar el puerto de salida de la bomba.

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Figura 25. Mecanismo de bombeo pistones axiales

5.5 BOMBA DE DESPLAZAMIENTO VARIABLE

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Figura 26. Bombas [Fuente: https://areamecanica.wordpress.com]

5.5 BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO VARIABLE Una bomba de desplazamiento variable ofrece varias ventajas en los circuitos hidráulicos simples, debido a que el desplazamiento de la bomba puede ser cambiado, este cambio en el desplazamiento puede ser un simple ajuste, o puede estar acompañado de compensadores de presión y varios niveles. Los tipos más comunes de circuitos en los cuales una bomba de desplazamiento variable puede ser usada son: 1. Circuito abierto. 2. Circuito cerrado. 3. Circuito semi cerrado.

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1. BOMBAS EN CIRCUITOS ABIERTOS 

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En las aplicaciones de un circuito abierto, la bomba transporta fluido de un reservorio y empuja este fluido dentro de un sistema hidráulico después de pasar a través de una válvula de control y el actuador hidráulico, el fluido retorna nuevamente al reservorio. Una bomba la cual se encuentre operando en un circuito abierto debe tener únicamente una dirección, por esta razón el diámetro del puerto de succión es mayor que el del puerto de descarga. La velocidad del motor hidráulico depende del caudal que produce la bomba y del desplazamiento del motor. La rotación del motor se detiene o invierte por medio de una válvula direccional. En el diseño de un circuito abierto la dirección de movimiento del actuador es independiente al sentido del flujo en la bomba ya que esta puede ser controlada por una válvula direccional. La principal ventaja en un circuito abierto está en que varios actuadores pueden ser instalados realizando arias funciones simultáneamente, si es necesario por una bomba simple. La única desventaja en un circuito abierto, es su gran tamaño y peso debido al gran volumen de aceite requerido.

2. BOMBAS EN CIRCUITOS CERRADOS    

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En este circuito se elimina la necesidad de un gran depósito de aceite. Puede ser utilizado en equipos de maquinaria móvil. El motor hidráulico puede rotar en cualquier dirección. Existe un gran número de circuitos cerrados utilizados en la industria hidráulica, son muy comunes circuitos como bombas de pistones axiales de desplazamiento variable. Son las HTS. Siempre se debe utilizar un circuito adicional de precarga, este circuito de precarga consiste en una bomba de desplazamiento fijo (usualmente de un 15% de desplazamiento de la bomba principal), válvula de seguridad, intercambiador de calor y un pequeño reservorio de aceite.

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La bomba estará en disposición para dirigir el flujo por cualquiera de los dos puertos a través de lazo cerrado en bombeo.

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La desventaja en un circuito en lazo cerrado está en que una bomba variable solo pueda controlar la salida de potencia que va a un actuador rotatorio para poder así cerrar el circuito.

5.5.1 BOMBAS COMPENSADAS POR PRESIÓN 5.5.1.1 BOMBAS DE PALETAS DE DESPLAZAMIENTO VARIABLE COMPENSADAS.

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Figura 27.

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El circuito abierto con bomba de paletas compensadas con presión es probablemente el uso más popular de una bomba de desplazamiento variable, en sistemas hidráulicos industriales. A diferencia de su contra parte (la bomba de paletas de desplazamiento fijo) la bomba de paletas de desplazamiento variable no está balanceada hidráulicamente, el anillo que compone la cámara de bombeo es circular, la bomba desplaza un fluido porque el resorte mantiene el anillo en una posición excéntrica con respecto al rotor. La razón por la cual la bomba de paletas de desplazamiento variable no es balanceada hidráulicamente se debe a que las fuerzas de presión entre el anillo y el rotor son una parte integral del control de la bomba. Cuando el anillo no tiene una posición concéntrica con respecto al rotor, la bomba entregará más fluido. Si se limita la excentricidad entonces se limitará el desplazamiento máximo de las paletas en el rotor. Una bomba de paletas de desplazamiento positivo entrega un caudal constante de fluido por cada revolución. Las bombas hidráulicas industriales normalmente funcionan a 1200 o 1800 RPM. En ocasiones se requiere que el caudal de la bomba sea variable. Una forma de conseguirlo es variar la velocidad del motor primario, está solución no es práctica desde un punto de vista económico. Otra forma de variar la descarga de una bomba es cambiar su desplazamiento. El caudal que desplaza una bomba de paletas está determinado por la diferencia entre las distancias máxima y mínima a las cuales se extienden las paletas y por el ancho de las paletas. Puede diseñarse una bomba de paletas que permita modificar la distancia a que se extienden las paletas. A estas bombas se les conoce como bombas de paletas de caudal variable.

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Figura 28 . Bomba caudal variable. 

Este control se consigue al utilizar bombas de caudal variable de paletas o pistones, con presión compensada. Estas bombas tienen la capacidad de reducir su desplazamiento una vez que la presión del sistema alcanza un cierto nivel.



Las bombas de desplazamiento variable, pueden estar ajustadas para entregar todo el flujo o flujo reducido como se requiera para satisfacer las demandas del circuito.

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Cuando el sistema hidráulico no requiere mayor flujo, la presión en el anillo devuelve a este a una posición cercana a la neutra, y suministra solamente las pérdidas por fugas a la presión establecida. Cuando se requiere que la bomba entregue totalmente el flujo, el anillo es desplazado totalmente como resultado de una pequeña disminución en la presión del circuito. La presión de reacción y la fuerza del resorte del compensador pueden ser ajustadas de modo que la rata de flujo desde cero al máximo sea automáticamente entregada al sistema para igualar la demanda del circuito.

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En bombas con compensador de presión, la potencia es reducida a medida que decrece la rata de flujo. Puesto que el fluido no es desviado a tanque no se genera calor excesivo. La bomba de desplazamiento variable reduce la complejidad del circuito hidráulico. No se requieren válvulas de alivio, ni válvulas de descarga o válvulas de desvío. Sin embargo, el circuito permanece presurizado para actuar dispositivos que operan por señal piloto. Las bombas de desplazamiento variable son más caras en el costo inicial que las bombas de desplazamiento fijo, pero el costo de las válvulas de control requeridas con las bombas de desplazamiento fijo usualmente compensan en gran parte la economía. Entre menor sea la distancia entre el estator y el rotor ajustado por el tornillo de posicionamiento para cilindrada, necesariamente la bomba desplazará menos fluido. La ventaja principal de la bomba de paletas compensada por presión sobre la bomba de desplazamiento constante es el ahorro de energía (no se desperdicia potencia).

Figura 29. Curva compensación de presión

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La figura 29 muestra la forma de la curva que depende del resorte seleccionado para una presión de operación dada. El decrecimiento en el flujo para una presión máxima cuando el caudal de entrega es cero ocurre en un punto denominado presión de cabeza muerta, que es la compensación final. 

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El desplazamiento del resorte comienza en un punto donde el flujo empieza a caer drásticamente con respecto al incremento de presión, la diferencia de presión entre el flujo máximo y el flujo mínimo depende de la rigidez del resorte. En las bombas de paletas con mando indirecto el estator se mueve mediante pistones de posicionamiento cargados con presión en lugar de moverse con uno o varios resortes de presión como es el caso de las bombas de paletas de mando directo. Una bomba de paletas de flujo de flujo variable con compensador de presión y operada por piloto está sujeta a presiones mayores que su contraparte (la bomba de paletas variable con compensador de presión operada directamente). Las bombas de paletas variables operadas directamente u operadas por piloto, tal vez sean las únicas bombas las cuales están ajustadas para un óptimo nivel de ruido.

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El dispositivo de compensador de presión operado por piloto presenta una mejor curva característica de Presión VS Flujo que la bomba de paletas de desplazamiento variable operada directamente. Además la de piloto tiene una alta eficiencia volumétrica porque la presión es cargada sobre los platos. Las bombas de paletas de caudal variable tienen un diseño desbalanceado. Los anillos son circulares y no como una leva anillada. Como en este tipo de bomba el anillo debe moverse libremente, el mecanismo de bombeo no viene como cartucho ensamblado.

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Figura 30. Bomba de paletas compensada. 

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Con el tornillo de ajuste completamente fuera, el anillo y el rotor están centrados. Ya no se forma un volumen creciente ni uno decreciente, por lo que no hay acción de bombeo. Con este diseño, una bomba de paletas puede variar el caudal descargando desde un valor máximo hasta cero, al ir ajustando el tornillo. El compensador de presión de una bomba de paletas de caudal variable, es el resorte grande ajustable que mantiene el anillo excéntrico en contra del ajustador de caudal. La excentricidad produce un volumen creciente y otro decreciente, y por lo tanto la acción de bombeo. La mitad del anillo está a una presión menor a la atmosférica y la otra mitad está a la presión del sistema. Cuando la presión en el anillo y la fuerza generada es lo suficientemente alta, el anillo empieza moverse en la dirección del resorte y reduce la descarga de caudal. El anillo no puede moverse hacia el cojinete, ya que este sirve como soporte mecánico. Una vez que el anillo se ha centrado con respecto al rotor, se detiene su desplazamiento y ya no se descarga caudal. El anillo no cruzará hacia el otro lado del rotor; si esto sucediera, la mitad del mecanismo de bombeo que está a la presión del sistema formaría un volumen creciente y se produciría una succión. La presión caería 57





inmediatamente, haciendo que el resorte empuje de nuevo el anillo a su posición de excentricidad. Mientras más se atornille el compensador de presión, más se comprime el resorte del compensador y mayor es la fuerza que mantiene excéntrico el anillo. Para proteger a la bomba de un ajuste de presión muy alta, las bombas de paletas de presión compensada están equipadas comúnmente con seguros contra sobrepresión.

5.5.1.2 COMPENSACIÓN DUAL DE UNA BOMBA DE PALETAS

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




En una bomba de paletas, un compensador dual consiste de una válvula o solenoide, una válvula piloto y un orificio por el que se detecta la presión del sistema. La máxima presión en el fluido está determinada por el ajuste de la válvula piloto. El ajuste del compensador está en función del resorte y la presión del fluido. Se consigue un segundo ajuste de compensación de presión cuando se actúa la válvula solenoide. Está válvula libera a la cámara del resorte del presión del fluido.



5.5.1.3 DRENAJE EN LA CARCASA  



Todas las bombas de caudal variable y presión compensada deben ser drenadas externamente. Los mecanismos de bombeo en estas bombas se mueven extremadamente rápido cuando se requiere una compensación de presión. Cualquier cantidad de fluido dentro de la carcasa estorbaría el movimiento. También cualquier fuga que produzca acumulación en la carcasa de la bomba generalmente se regresa al puerto de entrada. De haber fuga en una bomba de caudal variable, mientras se está compensando, normalmente estará caliente. Si está fuera dirigía al puerto de entrada, el fluido aumentaría progresivamente de temperatura. El drenaje externo alivia el problema.

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


El drenaje externo de la bomba es comúnmente conocido como drenaje de la carcasa.



5.5.1.4 BOMBAS DE PALETAS COMPENSADAS DE ALTA PRESIÓN.

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61



Figura 31.

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Figura 32. 63



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5.5.1.5 BOMBAS DE PISTONES AXIALES DE CAUDAL VARIABLE

El caudal que desplaza una bomba de pistones axiales, por cada revolución, está determinado por el área de la sección transversal del pistón y por la carrera de los pistones a lo largo de los cilindros. Mientras se lleva a cabo la acción de bombeo, nada puede hacerse cambiar para cambiar el área de la sección transversal de los pistones. Pero una bomba de pistones axiales de caudal variable está diseñada de forma que la carrera de los pistones pueda variarse.

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 








El ajuste de caudal en una bomba de pistones axiales de caudal variable es una barra roscada que limita físicamente el ángulo del plato basculante. Los pistones están alojados en los orificios del barril de cilindros. Un eje está acoplado al barril y lo conecta con un motor eléctrico. El eje puede acoplarse lo mismo del lado de la placa de puertos como del lado de plato basculante. Con el ajuste de caudal completamente afuera, el resorte y el pistón de regulación cl plato basculante en un ángulo extremo. Conforme gira el barril los pistones hacen contacto mecánico con la superficie del plato basculante, lo que produce un movimiento reciprocante en los pistones. Con el plato basculante en su ángulo extremo, la bomba descarga el caudal máximo. Si se atornilla un poco la barra roscada del ajuste para que el plato basculante tenga un ángulo menor, los pistones tienen un desplazamiento menor. Así se consigue una menor descarga de caudal al sistema. Mientras más se atornille el ajuste del caudal de una bomba de pistones axiales de caudal variable, menos caudal será descargado.

5.5.1.6 BOMBAS DE PISTONES AXIALES DE BARRIL AXIAL El desplazamiento de una bomba de pistones axiales y por lo tanto el caudal descargado se puede variar al cambiar el ángulo del plato basculante. De hecho, la bomba no entregará caudal cuando el plato basculante está en paralelo con el barril de cilindros. 

Algunas bombas de pistones axiales tienen su plato basculante alineado axialmente con el barril de tal forma que el eje articulado del plato se intersecta perpendicularmente con el eje del motor primario. Está construcción produce que se generen volúmenes crecientes y decrecientes en extremos opuestos de la placa de puertos. Es decir, el fluido regresa a través de la bomba.

71





Las bombas de pistones axiales con barril axial se usan con frecuencia en transmisiones hidrostáticas.



Las combinaciones anteriormente mencionadas, también están disponibles para bombas de eje flexionado y bombas de pistones radiales.

5.5.1.7 COMPENSADOR DE PRESIÓN

72


No

puede

quedar


en

posición vertical porque se cae la presión

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Figura 33.

Figura 34. 74



Figura 35. Compensación

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


Punto de Cabeza: Representa la ineficiencia mecánica y volumetrica de la bomba, e indica la cantidad total de calor generado, durante las condiciones de no flujo COMPENSADOR REXROTH:

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5.5.1.8

OTRO

DISEÑO

DE


COMPENSADOR

(Parker):

Figura 36.  

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El compensador de presión de una bomba de una bomba de pistones axiales de caudal variable combina la presión de un resorte y la presión del fluido. En bombas de paletas de presión compensada, un simple resorte actuaba como compensador. Esto era posible porque la fuerza que movía el anillo no actuaba en oposición directa al resorte, sino a un cierto ángulo. La mayor parte de la fuerza producida por la presión del fluido la absorbía el cojinete de empuje axial. Lo cual no sucede en una bomba de pistones axiales con presión compensada. Cuando la bomba de pistones axiales con presión compensada está funcionando, la presión actúa en los extremos de los pistones durante el bombeo.

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 

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Cuando la presión en la salida de la bomba aumenta lo suficiente para vencer el ajuste de la válvula piloto y a los resortes el plato basculante es empujado hacia su posición vertical por los pistones presurizados. La presión en la descarga de la bomba se detecta a través de un orifico en el conmutador del compensador. Cuando la presión disminuye en la descarga de la bomba, el conmutador del compensador cierra la cavidad de regulación y suspende la purga o alivio de la cámara. La acción de bombeo se reanuda. Mientras más se atornille el ajustador de presión de la válvula piloto, mayor presión piloto se permite en el conmutador del compensador de presión antes de que la compensación ocurra.

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Figura 37 80



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Figura 38.

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El compensador dual de una bomba de pistones incorpora una válvula de solenoide y otra válvula piloto. La cantidad de presión queda determinada por la válvula piloto principal. Esta presión se suma a la del resorte del conmutador del compensador.

5.5.1.10 COMPARACIÓN DE UNA BOMBA DE CAUDAL CONSTANTE CON UNA BOMBA DE CAUDAL VARIABLE CON PRESIÓN COMPENSADA   

Las bombas de paletas de presión compensada usualmente se compensan por completo con 200 PSI. Las bombas de pistones se compensan por completo con 100 PSI o menos. Con una bomba de presión compensada conectada a un motor primario, la potencia hidráulica generada no sólo regula al limitar la presión, sino que también se reduce mediante la regulación en el caudal descargado, Eso

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  

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significa que se genera menos calor en el sistema, pues la potencia no se desperdicia a través de la válvula de alivio. Cuando una bomba con presión compensada está completamente compensada, la potencia hidráulica generada en el sistema es cero. Sin embargo, el motor primario conectado a la bomba sigue entregado potencia debido a las fugas e ineficiencias mecánicas de la bomba. Una bomba de caudal variable con presión compensada puede aumentar la eficiencia del sistema. Con este tipo de bomba se elimina la válvula de alivio. Los sistemas que emplean bombas de caudal variable y presión compensada son muy eficientes. Típicamente las bombas de pistones tienen una eficiencia volumétrica inicial de 90%. Los equipos de engranes y paletas tienen eficiencias volumétricas en el intervalo de 80% - 90%. La eficiencia total de las bombas hidráulicas industriales de engranes, paletas o pistones, cuando operan a 1000 PSI es aproximadamente del 85%. La eficiencia total de estas mismas bombas a 200 PSI se encuentra entre 60% - 70%.

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Las bombas de pistones en línea de desplazamiento variable, desarrollan flujo y presión de la misma manera que las bombas de desplazamiento fijo. La placa inclinada se mueve con facilidad, está apoyada sobre cojinetes de deslizamiento y la posición cero está centrada por el resorte; al aumentar el ángulo de basculamiento también aumenta la cilindrada y el par de giro; en caso de reducción en el ángulo estos valores se reducen correspondientemente. Si no hay ángulo de inclinación la cilindrada es igual a cero. Normalmente se emplean variadores de efecto mecánico o hidráulico, los cuales a su vez se comandan o regulan mecánica, hidráulica o electromecánicamente. Los variadores más utilizados son de mando electroproporcional, regulación de presión (regulación de carrera nula), regulación de potencia. Esta bomba es usada en circuitos de lazo cerrado, en el cual se puede conseguir la inversión de flujo. En los modelos de desplazamiento variable, la placa circular está instalada en un bloque o soporte móvil. Moviendo este bloque el ángulo de la placa circular varía para aumentar o disminuir la carrera de los pistones. El bloque puede posicionarse manualmente con un servocontrol, con un compensador hidráulico o por varios métodos. El ángulo máximo en las unidades indicadas está limitado a 17.5 º. En la bomba de pistones en línea de desplazamiento variable se recomienda buenas características de succión generalmente se conecta con una bomba de prellenado. Un gran porcentaje del tiempo de operación de las bombas variables esta usualmente en los rangos de caudal bajo. Estas características, el balance hidrostático de la presión y las bajas cargas sobre los cojinetes de los ejes, permiten a las bombas en línea ser diseñadas para una larga 84


   


vida a grandes presiones de operación. Rangos de presiones nominales de 5000 PSI o más son alcanzados por algunos diseños. Los rangos nominales de velocidad de todas las bombas está limitado por consideraciones de la presión entrada. Son capaces de operar a velocidades aceptables con presión atmosférica en la entrada e incluso un ligero vacío. Si la placa para los 90º, la bomba cambiará la dirección del fluido algo típico de las bombas bidireccionales. La bomba de pistones en línea variable para HTS está diseñada principalmente para manejar equipo móvil por esta razón debe ser lo suficientemente robusta.

Figura 39. Curva de desempeño del compensador para bomba variable de pistones axiales. La bomba se mantiene en desplazamiento total por medio del resorte que está unido a la placa de deslizamiento, entregando 𝑄𝑁𝐵 y por medio del tornillo se ajusta el taraje del compensador, este taraje será igual a la máxima presión alcanzada por el sistema. A medida que se va incrementando la presión la bomba entregará menos caudal, debido a que la placa se va desplazando a su posición perpendicular con 85



respecto al eje. Cuando el sistema alcance la presión del compensador, la placa se desplaza totalmente perpendicular al eje. En este punto ocurre la compensación, la bomba ya no desplaza más fluido y la presión se mantiene gracias al resorte del compensador. Sin embargo existe un consumo de potencia debido a las pérdidas debido al drenaje interno de la bomba que permiten mantener la presión en el fluido. En la gráfica este consumo de potencia está determinado, por el corte de la línea de potencia de cabeza muerta y la presión de taraje del compensador.

Figura 40.

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5.5.1.11 CONTROLES  Compensador directo.

Figura 41. 



El control del compensador de presión automaticamnete ajusta la entrega de la bomba para mantener los requisitos de volumen del sistema en una presión operativa preseleccionada. La presión en el compensador aumenta conforme disminuye el caudal, y se mantiene la potencia relativamente constante.En una bomba de pistones, se obtiene una potencia constante al incorporar una válvula piloto y un pistón con cierto controno especifíco. Cuando el plata basculante se aproximaa la posición vertical, el contorno del pistón de control aumenta el ajuste en la válvula piloto.

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 Compensador con control remoto

Figura 42.Compensador de presión de control remoto). 

Se diferencia con el anterior en que este tiene contro remoto a distancia, es decir, se maneja de lejos.

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 Control dual sensando desde la línea de presión.

Figura 43. Sensado desde la línea de presión y control del compensador de presión.

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No es el clásico sensado de carga ( no tiene reguladora de caudal). Mantiene la presión un poco por encima de la presión máxima del sistema. Hay un limitador de presión. Para máquinas grandes es ineficiente. Automáticamente ajusta el flujo de la bomba en respuesta a una señal remota de presión y mantiene presión de la conexión de salida en uno nivelado ligeramente por encima de la presión de carga. Tiene opción eléctrica.

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 Control dual del compensador de presión de rango ajustable

Figura 44. Control dual del compensador de presión de rango ajustable dependiendo de la carga.

 

Compensador de bomba para dos niveles de presión uno máximo y el otro me lo define la carga. Dos niveles de presión.

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5.5.2 BOMBA VARIABLE DE PISTONES DE EJE QUEBRADO

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Figura 45. Bomba variable de pistones de eje quebrado

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Se usan varios métodos para controlaar el desplazamiento de las bombas de pistones en ángulo. Los controles típicos son el volante, el compensador hidráulico y el servocontrol. Siendo estas bombas de desplazamiento variable y reversibles, pueden aplicarse muy bien a prensas grandes y a Hidrotransmisiones. Debido a que sus piezas están recticadas y con holguras mínimas, la utilización de fluidos de buena calidad y buena filtración son condiciones esenciales para una larga duración. Está diseñada especifícamente para circuito abierto destacando su habilidad de autocebado. Es más costoso de producir y menos frecuentemente usado que el diseño en línea. La unión universal sólo suministra el torque necesario para contrarrestar la fricción y la inercia del rotor, no conduce potencia. La eficiencia de las bombas de pistones en ángulo es igual y a veces mayor que la de los diseños en línea. Las pérdidas de potencia disminuyen a medida que el desplazamiento es reducido. La principal ventaja en una bomba compensada es que el control produce una cantidad de flujo necesario para las condiciones de operación del sistema. Para cada tipo de compensador de presión en una bomba de desplazamiento variable existe una vurva caracteristica. En una bomba de desplazamiento variable, compensada por presión podemos ajustar un volumen de desplazamiento máximo y una presión máxima, pero ambas son afectadas por al temperatura. Después de un periodo de tiempo los elementos de rotación de la bomba se desgastan, esto afecta la eficiencia del compensador de presión de una bomba de desplazamiento variable, sobre todo lo que tiene que ver con el flujo de descarga y el taraje de presión del compensador para la presión del compensador para la posición de no flujo.

93



CONTROL DE POTENCIA CONSTANTE

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Figura 46.

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Figura 47.

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En algunos casos es llamado control limitador de potencia. El próposito del contro de potencia constante es mantener el motor primario que mueve la bomba a su máxima capacidad de torque a un nivel de potencia constante. Si en la bomba tenemos unas altas exigencias de presión, el caudal de salida será bajo, lo contrario ocurrirá cuando se incremente el flujo, la presión de operación debe ser menor. El nivel de presión de operación está determinado por las condiciones de la carga, el flujo varía con los cambios de presión inducidos por la carga siempre manteniendo el producto flujo y presión en un valor constante. El control de la bomba mantiene el máximo desplazamiento, hasta que el nivel de presión alcance el punto en el cual comienza la regulación. Durante la regulación la bomba suministra tanto flujo como sea posible dentro de la disponibilidad de potencia a la salida. A diferencia del compensador de presión, el cual ajusta el caudal a máxima presión, el compensador de potencia constante disminuye el caudal a medida que la presión va subiendo.

Figura 48.

98



Figura 49. 

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

Como la velocidad del actuador disminuye conforma aumenta la carga, la característica de potencia constante se emplea en aplicaciones donde el tamaño del motor eléctrico es más importante que la duración del ciclo. Ejemplos de estos sistemas se encuentran en trituradores de basura y en los camiones de volteo. Generalmente, se piensa que una bomba de desplazamiento positivo al girar a velocidad constante, entrega un caudal constante independiente de la presión del sistema. Esto no se cumple. Al aumentar la presión del sistema, aumentan las fugas internas en varios mecanismos de la bomba. Tales fugas producen una disminución del caudal descargado. La proporción en la cual ocurre esta disminución se conoce como 𝜂𝑣 . La bombas hidráulicas industriales normalmente están diseñadas para operar a presiones muy por arriba de 200 PSI. Por esta razón, la eficiencia total de la bomba disminuye a baja presión.

99


6.


FLUIDOS HIDRÁULICOS

Figura 50.  



El líquido más generamente usado en los sitemas hidráulicos es el aceite procedente del petróleo. El aceite también transmite la energía fácilmente porque es muy poco compresible. Se compirme aproximadamente 0,5% a una presión de 70 𝐾𝑔⁄𝑐𝑚2 , lo que es despreciable en la mayoría de los sistemas. La propiedad más destacable del aceite es su capacidad lubrificante. El fluido hidráulico debe lubricar la mayor parte de las piezas móviles de los componentes.

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Si fuese posible creaar un vacío completo a la entrada de la bomba, sedispondría de 1,03 𝐾𝑔⁄𝑐𝑚2 para impulsar el aceite. Sin embargo, prácticamente la diferencia de presión disponible es mucho menor. Uno de los motivos es que los líquidos se evaporan en un vacío. Es to introduce burbujas de gas en el aceite. Las burbujas son arr56astradas a través de la bomba, desaparecen con fuerza considerable cuando se ven expuestas a la presión en la salida y causan daños que pueden perjudicar al funcionamiento de la bomba y reducir su vida útil. La mayoría de los fabricantes de bombas recomiendan un vacío que no exceda de 127 mm de mercurio ( 5 in Hg). Debe evitarse uan elevación excesiva y las líneas de entrada de la bomba deben permitir que el aceite circule con un mínimo de resistencia.

Para las aplicaciones industriales la viscosidad del aceite acostumbra a ser del orden de 150 S.S.U a 100°F (37,8°C). Es una norma general que la viscosidad no debe ser nunca inferior a 45 S.S.U, ni superior a 4000 S.S.U, con independencia de la temperatura. Como regla general, el punto de fluidez debe estar 10°C por debajo de la temperatura más baja de utilización.

101



6.1 CLASES DE ACEITES  Aceites minerales→

Procedentes de la destilación del petróleo, nafténicos y parafínico, la base más utilizada para los fluidos hidráulicos. El principal inconveniente de los aceites de petróleo que son inflamables.



El aceite es un gran transmisor de presión, es muy bueno para la lubricación ayudando a tener menos desgaste.

102



La presión del sistema afecta

a la viscosidad.

Conforme

aumenta

la

presión en el sistema crece la viscosidad.          

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Uno de los problemas del aceite es la oxidación, está se presenta en el tanque y a la salida de la bomba. Se busca que el aceite sea pegajoso y tenga ciertas características, algunas de estas se consiguen con ciertos aditivos. Cuando se selecciona un aceite es importante tener en cuenta su operación, por ejemplo: la temperatura de arranque y la temperatura de operación. El ΔPresión entre la atmosfera y la de adentro es con lo que se empuja el aceite, el aceite debe llegar con suficiente velocidad. 1 in Hg produce una presión de 0,491 PSI. (se aproxima a 0.5 psi.) En la succión nos interesa de la presión atmosférica para abajo. A más altura menos presión. Las bombas tienen la mejor capacidad de succión en el montaje a la orilla del mar. El agua pesa más que el aceite. El aire disuelto es el talón de Aquiles de los fluidos.

La lubricación es el pproceso mediante el cual se rduce la fricción entre superficies en movimiento relativo que se encuentran en contacto. La 103


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lubricación es una función muy importante del fluido hidráulico. Sin lubricación, la fricción provocaría un desgaste excesivo de los componentes del sistema y una gran generación de calor. El agua es un fluido hidráulico natural, pero como lubricante industrial tiene un pobre desempeño debido a que su película de fluido no es durable. Los aceites derivados del petróleo son bueno slubricantes porque forman películas de fluido durables. La viscosidad es una especie de fricción interna que posee el fluido. El calor es unno de los principales contribuyentes para a oxidación de un tanque. Además del tanque, otro lugar donde ocurre la oxidación es en la salida de la bomba. Es particularmente importante la temperatura. La experoencia ha demostrado que a temperaturas inferiores a 57°C el aceite se oxida muy lento. Pero la velocidad de oxidación (o cualquier otra reacción química) se dobla aproximadamente por cada aumento de 10°C. En un sistema hidráulico, la corrosión se refiere al deterioro de la superficie de un componente debido al ataque químico de productos ácidos. La mejor solución para prevenir la formación de espuma en el aceite es arreglar la fuga del sistema y rediseñar las partes de retorno del sistema con deflectores o líneas de mayor diámetro para reducir la velocidad del fluido. Algunas veces por cuestiones económicas, conveniencia o falta de capacitación, se utilizan productos químicos para resolver el problema. Típicamente, en un sistema hidráulico industrial, las bombas se localizan en la parte superior del tanque que contiene al fluido de trabajo de dicho sistema.La atmósfera y el fluido en la reserva actúan juntos como un acumulador. Cuando una bomba no está en operación, el lado de la succión de un sistema está en equilibrio. Existe una condición en la que no hay flujo, en la cual la diferencia de presión entre la atm´sfera y la bomba es igual a cero. Para suministrar líquido a su grupo rotatorio, la bomba genera una presión menor a la atmósferica. El sistema se desbalancea y como resultado se obtiene un flujo. La presión ejercida por la atmósfera sobre un líquido es utilizada en dos etapas; 1. Para suministrar líquido a la entrada de la bomba, 2. Para acelerar el líquido y llenar el grupo rotatorio que gira rápidamente, las velocidades extándar son de 1200 y 1800 RPM. La mayor parte de la Una viscosidad alta aumenta la fricción. El aceite cuando pierda viscosidad se oxida.presión atmósferica se empea para acelerar el líquido dentro de la bomba. Sin embargo, el suministro de 104



líquido al puerto de entrada utiliza dicha presión en primer lugar; si se utiliza demasiada en esta etapa, no habrá suficiente presión disponible, para acelerar el líquido dentro del grupo rotatorio. La bomba no se llenará adecuadamente y ocurrirá algo conocido como cavitación.

6.2 CAVITACIÓN 

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Este implica la formación de una cavidad o espacio ahuecado en el cuerpo del líquido, estas cavidaes son usualmente llenadas con aire las cuales se encuentran a la temperatura y P de la solución. La cavitación es la formación y colapso de burbujas en un líquido. Estas burbujas causan daño a la bomba en dos formas: 1. Impiden una lubricación adecuada ( lo que ocasiona mayor desgaste), 2. Destruyen las partes metálicas. En la salida de la bomba, las burbujas son sometidas a altas presiones, las paredes de las mismas se colapsan y generan toneladas de fuerza por pulgada cuadrada. La energía liberada en este proceso, corroe las superficies metálicas. Si la cavitación no se evita, la vida útil de la bomba se reducirá; además, partículas de metal de la bomba podrían irse a otras áreas del sistema y dañar otras componentes del mismo. La indicación más notoria de la existencia de cavitación, es el ruido. El colapso simultáneo de las burbujas causa vibraciones de alta amplitud que se transmiten por todo el sistema y un sonido muy agudo se emite por la bomba. También se produce una disminución en el caudal de la bomba debido a que las cámaras de bombeo no se llenan completamente con líquido y la presión en el sistema se vuelve errática.

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Las burbujas se forman dentro el fluido porque el líquido se vaporiza. Sin embargo, em este caso al vaporización no es por el calentamiento sino porque se lleva al fluido a una presión baja. La lectura del vacuometro es por el montaje, no cambia. El fluido puede tener hasta 9%-10% de aire. Este aire es conducido dentro de aceite y se mantiene disuelto hasta que la presión o la temperatura se reduzcan, lo que ocasionaria un burbujeo del aceite. Las bombas de pistones hasta 30 GPM – 5 in Hg.

Las burbujas producen más o menos 30 PSI puntuales en la bomba. La bomba es el corazón de cualquier sistema hidráulico. Es inusual que una falla en una bomba sea causada por un defecto de la misma. Realmente, cuando algo anda mal con la bomba, es usualmente un síntoma de algún otro problema escondido en alguna otra parte del sistema. Entre el 90%-95% de las fallas de las bombas pueden ser atribuidas a una o más de las siguientes causas: Aireación, cavitación, contaminación, calor excesivo, presión excesiva, fluido inapropiado. Generalmente la presión en el depósito es la atmosferica. En el caso en que el nivel del depósito este por encima de la etrada de la bomba la presión diferencial positiva se encargará de llevar el aceite a la bomba( Succión inundada). El problema se presenta principalmente cuando el nivel del depósito esta por debajo de la entrada. Entonces será necesario tener un vacío parcial o una presión reducida a la entrada de la bomba, para que esta pueda aspirar aceite. El vacío es generado por la presión atmósferica e el puerto de succión de la bomba. El suministro de líquido hacia el puerto de succión de la bomba, depende del tamaño, peso y configuración de la línea de succión.

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Si se le permite a la presión de succión disminuir hasta el punto donde se presenta vaporización se crea cavitación dentro de la bomba.En lugar de un flujo permanente de fluido, la bomba tomará uan mezcla de vapor y líquido, provocando que disminuya la entrega. Además a medida que las burbujas de vapor ingresan a la bomba, estas encuentran presiones mayores que provocan que las burbujas de vapor se colapsen de forma muy rápida. Todo esto puede resultar en ruido excesivo vibración y un desgaste de las diferentes partes de las bombas.  El calor tiene que ver con las pérdidas.  Para evitar la cavitación, se debe tener sufiientemente presión a la entrada de la bomba, llenar sus elementos.  Se debe evitar al máximo las caídas de presión. Los aceites 37, 46, 68 son los más usados en esta zona.

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Engranajes: 70 S.U.S a 250 S.U.S o [ 113 CST a 54 CST]. Óptimo : 110 S.U.S a 250 S.U.S o (54°C) o[ 24 CST a 54 CST]. PVB 90: 70 S.U.S a 250 S.U.S o [ 13 CST a 54 CST]. 110 S.U.S a 250 S.U.S o[ 24 CST a 54 CST]. Toda bomba aguanta entre 2000 y 4000 S.U.S Aceite ISO 37: significa que a 40°C su viscosidad es 37 CST. El aceite se oxida con la temperatura, no debería pasar de 50°C. Fluidos resistentes al fuego: wáter-oil Emulsión-60% wáter y 40% oil. La lubricidad es un término que se refiere a la capacidad del líquido para formar una película de fluido durable entre superficies en contacto. Esta capacidad está directamente relacionada con: 1. Un espesor de película natural del fluido, 2. La tendencia del fluido a adherirse a una superficie. El rango de operación del aceite es 38-48°C. En la línea de aspiración el rango de velocidades es 0,6 a 1,2 m/seg. En la línea de impulsión el rango de velocidades es 2 a 5 m/seg. En la línea de impulsión de una instalación hidráulica, las pérdidas de carga admisible deben corresponder como máximo al 5% de la presión de la bomba. La temperatura máxima del aceite no debe sobrepasar normalmente los 65°C. A esta temperatura el fluido se oxida rápidamente.

107


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El filtro de retorno está generalmente por fuera del depósito. La filtración nominal de un filtro de retorno debe ser por lo menos de 25 micras. La caída de presión puede reducirse utilizando tubería de mayor diametro.

Los principales fabricantes de bombas proporcionan las especificaciones de succión en términos de presión de vacío medida a nivel del mar. Si la bomba va a ser utilizada a una elevación mayor al nivel del mar, deberá tomarse en cuenta la presión barométrica en esa localidad. Los fluidos derivados del petróleo y los éster fosfatos resistentes al fuego tienen bajos valores de presión de vapor, a la temperatura de operación de un sistema hidráulico común. Sin embargo, esto no ocurre con los fluidos con base en agua; como contienen un alto porcentaje de agua, las emulsiones invertidas y los glicoles acuosos pueden presentar valores de presión de vapor muy altos, mientras que los fluidos derivados del petróleo y los sintéticos presentan presiones de vapor comparativamente mucho menores. Por esta razón, tienen mayor tendencia a vaporizarse y cavitar. Para evitar la cavitación cuando se trabaja con un fluido con base en agua, el fabricante de la bomba debe asegurar que exista suficiente presión en la entrada de la bomba para acelerar el líquido dentro de la misma, cuidando de no alcanzar valores inferiores a la presión de vapor del fluido. Esto se logra reduciendo el vacío máximo permitido. La presencia de cavitación en la bomba de un sistema nuevo, es probablemente el resultado de una línea de succión mal diseñada o un fluido cuya viscosidad no es la correcta. El problema puede ser resuelto 108





aumentando el diámetro de la línea de succión, reduciendo la diferencia de presión, o utilizando la viscosidad adecuada. En un sistema viejo, con un diseño adecuado, la cavitación podría ser consecuencia de una obstrucción en la línea de succión, debido a una piedra, un papel o un animal. También podría ser causa de un filtro sucio, sin válvula derivadora o con una válvula insuficiente.

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Se debe tener en cuenta con la presión de succión debido a que cuando subimos por encima del nivel del mar se pierde presión atmosférica.

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A más CST (Centiestokes) más liviano e aceite. Si está presurizado está más viscoso. En el tanque y la salida es donde se oxida el fluido. (Está en contacto con la atmósfera).

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Grado ISO: 37, 46,68. – El 37 es más crítico que el 46.  

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  

Temperatura máxima de operación: 50°C (120°F) – recomendable.

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1 S.S.U=4,608 C.S.T > 100 o

Temperatura máxima de operación: 55°C



1 C.S.T= 0,217 S.S.U

(130°F) – crítica.



𝜈 = (0,226 ∗ 𝑆. 𝑆. 𝑈 −

195 𝑆.𝑆.𝑈

)∗

2

10−6 𝑚 ⁄𝑠𝑒𝑔 𝑆. 𝑆. 𝑈.

Nunca pasar de: 65°C (150°F).

Rango de operación de las bombas: [24 C.S.T- 54 C.S.T] o [ 110 S.S.U- 250 S.S.U]El aceite cuando se desgasta genera estragos. En Bucaramanga es un problema que el tanque esté por encima.

6.3 DEPOSITOS, FILTROS Y REFRIGERADORES.

Figura 51. 

Los tanques normalmente se hacen de acero.

110





La desviación del fluido es un aspecto muy importante en la adecuada operación del tanque. Por esta razón, todas las líneas que regresan fluido al tanque deben colocarse por debajo del nivel del fluido y en el lado de la placa deflectora opuesto al de la línea de succión.

Figura 52. Símbolo de enfriador. 

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   

La falta de lubricación produce deterioro excesivo, respuesta lenta, operación errática, que se quemen los solenoides y fallas prematuras de los componentes. La escala micrométrica se usa para medir la suciedad en sistemas hidráulicos. Los tanques disipan muy poco El tamaño del tanque debe ser de 3 a 4 veces la magnitud del caudal de la bomba que entrega en un minuto. Por ejemplo, si la bomba es de 10 GPM, el tanque entonces de ser de 30 a 40 gal. Generalmente el intercambiador es de baja presión 100 Lb y se colocan en la línea de retorno. La bomba de precarga tiene buena capacidad. El que va por los tubos es el agua del intercambiador. Es importante que el tanque no esté en el piso para poder aprovechar el área de abajo para disipar.

111



6.4 EJEMPLO

𝑄𝑏 = 10 𝐺𝑃𝑀 𝑉𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 = 30 𝑔𝑎𝑙 = 4,0101 𝑓𝑡 3 𝐴𝑑𝑖𝑠𝑖𝑝𝑎𝑐𝑖ó𝑛 : (𝑎 ∗ 6𝑎) ∗ 2 + (6𝑎 ∗ 4𝑎) ∗ 2 + (𝑎 ∗ 4𝑎) 𝐴𝑑𝑖𝑠𝑖𝑝𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = 12𝑎2 + 48𝑎2 + 4𝑎2 = 64𝑎2

𝑉𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 : 𝑎 ∗ 4𝑎 ∗ 6𝑎 𝑎3 =

𝑉𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 4.0104 = = 𝑎 = 0,55 𝑓𝑡 24 24

112



𝐴𝑑𝑖𝑠𝑖𝑝𝑎𝑐𝑖ó𝑛: : 64 ∗ (0,55)2 = 19,416 𝑓𝑡 2 𝑃𝑑 =

𝐴 ∗ ΔT 600

𝑃𝑑 =

19,416 ∗ 36 = 1,16 𝐻𝑝 600

EJEMPLO: 𝑄 = 4,5 𝐺𝑃𝑀 𝐻𝑝 =

𝑃∗ Q 1714 ∗ 𝜂𝑡𝑏

𝐻𝑝 =

80 𝑃𝑆𝐼 ∗ 4,5 = 4,2 𝐻𝑝 1714 ∗ 0,5

6.5 EJEMPLO

𝐴𝑑𝑖𝑠𝑖𝑝𝑎𝑐𝑖ó𝑛 : (4𝑎 ∗ 8𝑎) + 2 ∗ (4𝑎 ∗ 4𝑎) + 2 ∗ (4𝑎 ∗ 8𝑎) 𝐴𝑑𝑖𝑠𝑖𝑝𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = 32𝑎2 + 32𝑎2 + 64𝑎2 = 128𝑎2

113



𝐴𝑑𝑖𝑠𝑖𝑝𝑎𝑐𝑖ó𝑛 : (2𝑎 ∗ 8𝑎) ∗ +2(8𝑎 ∗ 8𝑎) ∗ +2(8𝑎 ∗ 2𝑎) 𝐴𝑑𝑖𝑠𝑖𝑝𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = 16𝑎2 + 128𝑎2 + 32𝑎2 = 176𝑎2 

Si se dice que hay un 5% de ineficiencia de tuberías entonces en realidad ya hay 95% de eficiencia.

6.6 EJEMPLO DISIPACIÓN DE UN TANQUE 𝑃𝑑 = 𝐾 ∗ 𝐴 ∗ ΔF

𝑆𝑖 𝑄𝑁𝐵 = 15 𝐺𝑃𝑀: 𝑉𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 = 4 ∗ 15 = 60 𝐺𝑃𝑀 

Para un tanque al aire 𝐾

=

2−5 𝐵𝑇𝑈

, se toma un 𝐾 =

ℎ∗𝑓𝑡 2 ∗°F

4,24 𝐵𝑇𝑈 ℎ∗𝑓𝑡 2 ∗°F

114



𝑉 = 128𝑎3

𝑎3 =

8,02 3 𝑓𝑡 128

𝑎 = 0,397 𝑓𝑡

𝐴 = 128 ∗ 𝑎2 𝐴 = 128 ∗ (0,397)2 𝐴 = 20,19 𝑓𝑡 2

4,24 𝐴 ∗ ΔF ∗ 𝐴 ∗ ΔT = 2544 600 20,19 ∗ 36°F 𝑃𝑑 = = 1,211 𝐻𝑝 600 𝑃𝑑 =

𝐻𝑝 =

15 ∗ 0,92 ∗ 2200𝑃𝑆𝐼 = 20,83 𝐻𝑝 1714 ∗ 0,85

115


  


Uno se va a enfriar con todo el intercambiador. En HTS se acostumbra a enfriar todo lo que son drenajes. (HTS de 20-30 Hp hay que enfriar). En una industria en un intercambiador el agua va por dentro y el aceite por fuera.

7.

ACUMULADORES

116



117


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La ventaja de un acumulador consiste en suministrar un medio de almacenar fluidos incomprensibles bajo presión. Esto se consigue porque cuando el fluido hidráulico bajo presión, entra en la cámara del acumulador hace una de las tres cosas siguientes: comprime un muelle, comprime un gas o eleva un peso. Se usan presostatos o válvulas de seguridad y descarga para controlar periódicamente la carga del acumulador o la descarga de la bomba cuando se pierde fluido debido a fugas. Los presostatos se utilizan para abrir o cerrar circuitos eléctricos a presiones seleccionadas previamente, para accionar electroválvulas y otros dispositivos utilizados en el sistema. Para descarga de caudal en una bomba con acumuladores se utiliza: válvula de descarga diferencial y/o presostatos (tienen dos resortes) diferencialllevan drenaje externo. Si hay presostatos hay venteo. Entre más se acerque la presión del acumulador a la presión mínima más eficiente es el acumulador. El acumulador es un dispositivo de almacenamiento de energía. Se puede considerar análogo a una batería. La ineficiencia es cuanto queda aceite dentro del acumulador y no se utiliza. La mayoría de los acumuladores se usan isotérmicamente. La máxima presión disponible la determina el taraje de la válvula de alivio o la presión más alta necesaria para mantener el volumen requerido en el acumulador. Cuando el acumulador es llenado, el fluido se comprime. Si el llenado es lento y permite que el calor fluya manteniendo la temperatura constante del fluido, puede considerarse como un proceso isotérmico. Si por el contrario el llenado es realizado en forma rápida y el calor no tiene oportunidad de escapar, con el consiguiente aumento de la temperatura el llenado puede considerarse adiabático. Cuando el acumulador es llenado isotérmicamente (lentamente) puede acumular una mayor cantidad de líquido que si fuera operado adiabáticamente (rápidamente). Cuando el acumulador es descargado el gas se expande. Si la descarga es realizada en forma rápida y no se permite la entrada del calor, con la consiguiente disminución de la temperatura, la descarga puede considerarse adiabática. Cuando el acumulador es descargado isotérmicamente (lentamente) puede descargar una mayor cantidad de líquido que si fuera descargado (rápidamente). 118



Figura 53. Símbolo Acumuladores  

Cualquier tendencia a disminuir que tenga la presión, a la entrada del acumulador, hace que el elemento reaccione y obligue el líquido a salir. Los acumuladores almacenan un fluido hidráulico presurizado. Este fluido presurizado es energía potencial capaz de transformarse en energía disponible.

119



Figura 54.

120



 FUNCIONES:

7.1 CLASIFICACIÓN DE LOS ACUMULADORES 7.1.1 ACUMULADORES DE CONTRAPESO  

Es el más antiguo. Es el único tipo de acumuladores en que la presión se mantiene constante hasta que la cámara del acumulador quede prácticamente vacía.

121



Figura 55. Acumulador de contrapeso.  



  

Son pesados, ocupan mucho espacio y su uso es limitado. Se utilizan en algunas prensas de gran tamaño en las que se requiere una presión constante o en aquellas pocas aplicaciones en que sean necesarios grandes volúmenes. Se utilizó un pistón vertical, con facilidad para añadir o remover pesos, para hacer variar la presión, que es siempre igual al peso por el área del pistón que recibe el fluido hidráulico. Pueden prestar servicio a varios sistemas hidráulicos al mismo tiempo y usualmente son utilizados en fábricas y sistemas hidráulicos centrales. Una circunstancia desventajosa de los acumuladores cargados por peso es que generan sobrepresiones. Cuando se encuentran descargando con rapidez y se detienen repentinamente, la inercia del peso podría ocasionar variaciones de presión excesivas en el sistema. Esto puede producir fugas en las tuberías y accesorios, además de causar la fatiga del metal, lo cual acorta la vida útil del componente.

122



Figura 56. Símbolo del acumulador tipo contrapeso

7.1.2

ACUMULADORES DE MUELLE

Figura 57. Acumulador de muelle   





La presión es aplicada al fluido mediante la compresión de un muelle espiral colocado detrás del pistón del acumulador. La presión no es constante puesto que la fuerza del muelle aumenta a medida que el fluido entra en la cámara y disminuye cuando esté sale. Los acumuladores de muelle se pueden montar sobre cualquier posición. La fuerza del muelle, es decir, los límites de presión no son fácilmente ajustables con estos acumuladores. Además, cuando se requieran grandes cantidades de fluido, las fuerzas involucradas hacen muy difícil poder obtener muelles suficientemente grandes. Suelen ser más pequeños que los cargados por presión y su capacidad es de solamente unos cuantos galones. Usualmente dan servicios a sistemas hidráulicos individuales y operan a baja presión en la mayoría de los casos. A pesar de los sellos del pistón, cierta cantidad de fluido almacenado podría infiltrarse al interior de la cámara del resorte del acumulador. Para evitar la acumulación de fluido, un orificio de respiración en la cámara permitirá la descarga del líquido cuando sea necesario.

123



Figura 58. Símbolo del acumulador tipo muelle.

7.1.3 ACUMULADORES DE GAS

Figura 59. Símbolo del acumulador tipo muelle.

 

   

También se puede usar para amortiguar sobrepresiones. Probablemente el acumulador más utilizado es el de la cámara cargada con un gas inerte, generalmente nitrógeno seco. Nunca debe utilizarse oxígeno debido a su tendencia a quemarse o a explotar al comprimirlo con aceite. A veces se utiliza aire pero no es recomendable por el mismo motivo. Un acumulador de gas debe cargarse cuando está vacío de fluido hidráulico. La presión de carga del gas no debe ser inferior al 25% (preferiblemente 33%) de la presión máxima de trabajo. La presión del acumulador varía en proporción a la compresión del gas, aumentando cuando entra el fluido y disminuyendo cuando sale. Estos acumuladores se clasifican en tres tipos: de pistón, de diafragma y de vejiga. El nombre de cada tipo indica el medio de separación entre el gas y el líquido. También está el acumulador a superficie libre.

Figura 60 Símbolo del acumulador tipo gas

124



7.1.4ACUMULADOR DE PISTÓN

Figura 61. Acumulador de pistón 



Consiste en un cuerpo cilíndrico y un pistón móvil con sellos elásticos. El gas ocupa el volumen por encima del pistón y se comprime cuando el flujo entra al interior del cuerpo cilíndrico. Al salir el fluido del acumulador, la presión del gas desciende. Una vez que todo el líquido ha sido descargado, el pistón alcanza el final de su carrera y cubre la salida manteniendo el gas dentro del acumulador.

Figura 63.

125



7.1.5 ACUMULADOR DE DIAFRAGMA





Se compone de dos hemisferios metálicos atornillados juntos, pero cuyo volumen interior se halla separado por un diafragma de hule sintético, el gas ocupa el hemisferio superior. Cuando el flujo entra en el espacio inferior, el gas se comprime. Al descargar todo el líquido, el diafragma desciende hasta la salida y mantiene el gas dentro el acumulador.

Figura 64. 126



ACUMULADOR TIPO VEJIGA  

No hay ninguna separación entre el separador hidráulico y el gas. Se utiliza frecuentemente en máquinas de inyección y debe mantenerse verticalmente. Es importante seleccionar una relación de volúmenes y presiones, de tal forma que no sea utilizado más que un 65% del fluido del acumulador, a fin de evitar que el gas se descargue en el sistema.

Figura 65. Acumulador de vejiga.   

Se compone de un casco de metal en cuyo interior se encuentra una vejiga de hule sintético que contiene al gas. Cuando el fluido entra al interior del casco, el gas en la vejiga se comprime. La presión disminuye conforme el fluido sale del casco. Una vez que todo el líquido ha sido descargado, la presión del gas intenta empujar la vejiga a través de la salida del acumulador. Sin embargo, una válvula colocada encima del puerto de salida, interrumpe automáticamente el flujo cuando la vejiga presiona al tapón de la misma.

127



7.1 ACUMULADORES EN UN CIRCUITO

128


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





 


Se utilizan en muchos sistemas hidráulicos donde es necesario una gran cantidad de fluido para efectuar el trabajo pero éste se realiza solo intermitentemente en el ciclo de la máquina. También pueden instalarse en un sistema para absorber choques o puntas instantáneas de presión, debidas a paradas de bruscas o inversiones del caudal de aceite. En tales casos, la presión de carga es próxima o ligeramente superior a la presión máxima de trabajo, consiguiéndose así absorber las puntas de presión y evitar al mismo tiempo una flexión constante de la membrana o de la vejiga. Como precaución, el acumulador tiene que aislarse completamente del circuito o estar completamente descargado, antes de iniciar cualquier desmontaje del circuito. Nunca debe desmontarse un acumulador sin antes descargarlo, bien sea de gas, pesas o muelles. En un sistema hidráulico, los acumuladores cumplen una gran variedad de funciones. Algunas de ellas son; mantener la presión del sistema, producir el flujo del sistema, amortiguar los efectos de las sobrepresiones. El uso de un acumulador en combinación con una bomba pequeña, proporciona una potencia máxima. Los acumuladores cargados son una fuente de energía hidráulica potencial (misma que puede utilizarse para producir el flujo cuando la demanda en el sistema excede la capacidad de la bomba).

Figura 67. Acumuladores en un circuito.

129





El análisis se hace desde el punto de vista del gas. 𝑃1 : 𝑃𝑟𝑒𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑃3 : 𝑃𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎, 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑟𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑃2 : 𝑃𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑎 𝑑𝑒 𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑉1 : 𝑇𝑎𝑚𝑎ñ𝑜 𝑎𝑐𝑢𝑚𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟 𝛾

𝛾

𝛾

𝑃1 ∗ 𝑉1 = 𝑃2 ∗ 𝑉2 = 𝑃3 ∗ 𝑉3

130



 

Normalmente esto se hace isotérmico en el 95%→ Sin el exponente 90%→ Adiabático y Isotérmico.



Los acumuladores disminuyen el tamaño de la bomba → Pero solamente se consigue si hay tiempos muertos en el sistema.



𝑃2 𝑑𝑒𝑏𝑒 𝑠𝑒𝑟 𝑚á𝑠 𝑎𝑙𝑡𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑃1 → (𝑃𝑟𝑒𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎).



Se cargan como mínimo a 1000 𝑙𝑏⁄𝑖𝑛2 los acumuladores (dependiendo del sistema).

7.3 CARACTERISTICAS DE FUNCIONAMIENTO 









Como los acumuladores de gas utilizan gas comprimido para mantener la presión de un líquido, las propiedades del gas afectan el funcionamiento del acumulador. Cuando un gas se comprime adiabáticamente, la T ↑; a su vez, cuando se expande adiabáticamente la T ↓. Para una presión dada, un gas ocupa mayor volumen entre mayor sea su temperatura. Cuando se llena el acumulador con líquido, el gas se comprime y como consecuencia su temperatura se eleva. Si la presión permanece constante, un gas a alta temperatura ocupa mayor espacio que uno a menor temperatura.

Un acumulador de gas cargado con un fluido hasta alcanzar una presión determinada, almacenará mayor cantidad de líquido si la operación es isotérmica y no adiabática. Se almacena más comprimiendo isotérmicamente-(se entrega más que el adiabático). 131



Figura 68. 

 





La descarga isotérmica de un acumulador se lleva a cabo lentamente mientras el gas, se expande. Hay transferencia de calos al gas desde el medio ambiente a través de las paredes del acumulador o desde el fluido. La descarga adiabática ocurre rápidamente sin transferencia de calor. A medida que el gas se expande, su temperatura disminuye. El volumen de líquido descargado desde la presión máxima hasta la presión menor es el volumen útil del acumulador. El volumen útil de un acumulador se debe descargar a una velocidad regulada. Si el acumulador se utilizará para mantener la presión del sistema, el caudal es automáticamente regulado por la cantidad de flujo que debe ser reemplazado. Sin embargo, si el acumulador se utilizará para producir flujo presurizado, el caudal puede descargarse muy rápido, liberado por el accionamiento de una válvula direccional. Para regular el caudal en este tipo de aplicaciones, usualmente se coloca una válvula reguladora de caudal y una válvula antirretorno para desviación en el puerto de entrada-salida del acumulador.

132


Figura 69. Válvula reguladora antirretorno en un acumulador.


y

133


7.4


FORMULA GENERAL PARA EL DIMENSIONAMIENTO DE ACUMULADORES:

134



𝑷



𝒆 = 𝑷𝟏 (relación de precarga)

 

Aparecen las presiones máximas y la de operación. Cuando se tiene un acumulador de vejiga se utiliza para la presión de 𝑃 precarga un 90% de la presión mínima del sistema: 1⁄𝑃 = 90% 2 Para regular el caudal del acumulador existen dos formas: Reguladora de presión y reguladora de caudal. También : 𝑉1 = 𝛿 ∗ Δ𝑉;

 

𝟐

𝛿: 𝑛ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑣𝑒𝑐𝑒𝑠 𝑒𝑙 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒𝑔𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑒𝑙 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟.   

𝑃1 ∗ 𝑉1 = 𝑃3 ∗ 𝑉3 (𝐼𝑠𝑜𝑡é𝑟𝑚𝑖𝑐𝑜). 𝑃3 ∗ 𝑉31,4 = 𝑃2 ∗ 𝑉21,4 (𝐼𝑠𝑒𝑛𝑡𝑟ó𝑝𝑖𝑐𝑜). Δ𝑉 = 𝑉2 − 𝑉3 → 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒𝑔𝑎.



Los acumuladores también sirven como grandes amortiguadores de ondas.

7.5 EFICIENCIA DEL ACUMULADOR

135





𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎: 𝑃𝑜𝑡𝑠𝑎𝑙 = 𝑄1 ∗ 𝑃1 ∗ 𝐾

7.6 EJEMPLO En un sistema hidráulico en el que se utiliza una bomba con una entrega de 400 ml/seg y una presión máxima a 70 bar; hay una demanda de 0,8 litros en un período de 0,1 seg a intervalos. El intervalo mínimo entre demandas es de 30 seg, una 𝑃𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 = 60 𝑏𝑎𝑟. 0,8 = 8 𝐿𝑡 0,1 30 𝑠𝑒𝑔 ∗ 0,4 = 12 𝐿𝑡

𝑃2 ∗ 𝑉21,4 = 𝑃3 ∗ 𝑉31,4

136



𝑃2 𝑉3 1,4 𝑃2 = ( ) → 𝑉3 = ( ) 𝑃3 𝑉2 𝑃3 71 𝑉3 = ( ) 61

1⁄ 1,4

∗ 𝑉2

1⁄ 1,4

∗ 𝑉2

𝑉3 − 𝑉2 = 0,8 𝐿𝑡 − 𝑑𝑒𝑚𝑎𝑛𝑑𝑎 𝑉3 = 1,114 ∗ 𝑉2 𝑉3 = 1.114 ∗ (𝑉3 − 0,8) 𝑉3 = 1,114 ∗ 𝑉3 − 𝑉3 0,8916 = 0,1143 ∗ 𝑉3 𝑉3 = 7,785 𝐿𝑡 𝑆𝑖 𝑙𝑎 𝑝𝑟𝑒𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑠𝑒 𝑡𝑜𝑚𝑎:

𝑃1 ⁄𝑃 = 0,9; 3

𝑃1 = 0,9 ∗ 𝑃3 𝑃1 = 0,9 ∗ (61) = 55 𝑏𝑎𝑟

𝑃1 ∗ 𝑉1 = 𝑃2 ∗ 𝑉2 (𝐼𝑠𝑜𝑡é𝑟𝑚𝑖𝑐𝑜) 𝑉1 = 𝑉1 =

𝑃2 ∗𝑉 𝑃1 2

71 ∗ (7,785 − 0,8); 55 𝑉1 = 9,017 𝐿𝑡

2,032 = 5,08 𝑠𝑒𝑔 0,4 137


𝚫𝒗 ∗ (

𝑽𝟏 =


𝑷𝟐 ⁄𝑷 ) 𝟑

𝑷𝟐

𝒆 ∗ [( )

𝟏⁄ 𝟏,𝟒

𝑷𝟑

𝑉1 =

− 𝟏]

Δ𝑣 ∗ (71⁄61) 71

1⁄ 1,4

0,9 ∗ [(61)

− 1]

𝑽𝟏 = 𝟏𝟏, 𝟐𝟗 ∗ 𝚫𝒗

7.7 EJEMPLO ACUMULADORES - PARAMETROS DE DISEÑO  Acumulador tipo pistón  El acumulador se va a incorporar a un circuito hidráulico, con un cilindro de 5 in de diámetro interno, una carrera de 20 in, que durante su carrera trabaja con una carga que exige entre 1000-2000 PSI.  El acumulador debe incrementar 4 veces la velocidad nominal del actuador (1,366 cm/seg).  Las características del banco de malacate son: presión máxima 2200 PSI y caudal de 9,4 GPM. 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑒 𝑜𝑏𝑡𝑖𝑒𝑛𝑒 𝑐𝑜𝑛 𝑙𝑎 𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒𝑔𝑎 9,4 𝐺𝑃𝑀, 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜.

138


′ 𝑉𝑐𝑖𝑙 =


𝑄𝐵 𝐴𝑃

𝐷𝑝 = 5 𝑖𝑛 𝑄𝐵 = 9,4 𝐺𝑃𝑀 = 593,046 593,046 𝑉𝑐𝑖𝑙 = 𝜋 4

𝑠𝑒𝑔

𝑐𝑚3 𝑠𝑒𝑔

∗ (5 ∗ 2,54)2

𝑉𝑐𝑖𝑙 = 4,68

𝑐𝑚3

=

𝑐𝑚 𝑠𝑒𝑔

𝑃𝑎𝑟𝑎 𝑎𝑢𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑟 𝑐𝑢𝑎𝑡𝑟𝑜 𝑣𝑒𝑐𝑒𝑠 𝑙𝑎 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 𝑠𝑒 𝑡𝑖𝑒𝑛𝑒: ′ 𝑉𝑐𝑖𝑙 = 4𝑉𝑐𝑖𝑙

𝑉𝑐𝑖𝑙 = 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 𝑐𝑜𝑛 𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟 𝑐𝑚 𝑐𝑚 𝑉𝑐𝑖𝑙 = 4 ∗ 4,68 = 18,72 𝑠𝑒𝑔 𝑠𝑒𝑔

𝐴ℎ𝑜𝑟𝑎, 𝑠𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑐𝑢𝑙𝑎 𝑒𝑙 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑑𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟:

139



𝑐𝑎𝑟𝑟𝑒𝑟𝑎 = 20 𝑖𝑛 = 50.8 𝑐𝑚 𝑡𝑑𝑒𝑠𝑐 =

50,8 𝑐𝑚 18,72

𝑐𝑚

= 2,714 𝑠𝑒𝑔

𝑠𝑒𝑔

𝐸𝑙 𝑐𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 𝑞𝑢𝑒 𝑙𝑙𝑒𝑔𝑎 𝑎𝑙 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 ℎ𝑖𝑑𝑟á𝑢𝑙𝑖𝑐𝑜 𝑒𝑠 𝑖𝑔𝑢𝑎𝑙 𝑎 𝑙𝑎 𝑠𝑢𝑚𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎 𝑦 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟

𝑄𝑎𝑐𝑢𝑚

𝑐𝑚 𝜋 𝑐𝑚3 𝑐𝑚3 2 ( ) = (18,72 ∗ ∗ 5 ∗ 2,54 ) − 593,046 = 1178,34 𝑠𝑒𝑔 4 𝑠𝑒𝑔 𝑠𝑒𝑔 𝑄𝑎𝑐𝑢𝑚

𝑐𝑚3 = 1178,34 𝑠𝑒𝑔

𝐴ℎ𝑜𝑟𝑎 𝑠𝑒 𝑒𝑣𝑎𝑙𝑢𝑎𝑛 𝑝𝑎𝑟á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑦 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑒𝑙 𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟:

140



Figura 70.

∆𝑉 = 2,714 𝑠𝑒𝑔 ∗ 1178,34

𝑐𝑚3 = 3198,014𝑐𝑚3 = 3,918 𝑙𝑡𝑠 𝑠𝑒𝑔

 𝑝3 = 2200 𝑃𝑆𝐼  𝑝2 =1000 PSI 𝑃3

𝛽=

2200

𝑃2 𝑃3 1 1.4 𝑃2

𝑒 [( )

= − 1]

0.9 ∗ [(

1000 2200 1

= 3,23

)1.4 − 1]

1000

𝛽 = 3,23 141



El volumen efectivo del gas, es: 𝑉1 = Δ𝑉 ∗ 𝛽 = 3,918 ∗ 3,23 = 12655 𝑐𝑚3 𝑉1 = 12,655 𝑙𝑡 𝑇𝑜𝑚𝑎𝑛𝑑𝑜 𝑙𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑝𝑟𝑒𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎: 𝑒 = 0,9; 𝑃1 = 0.9𝑃2 𝑃1 = 0.9 ∗ 1000 𝑃𝑆𝐼 = 900 𝑃𝑆𝐼. 𝑃𝑎𝑟𝑎 𝑢𝑛 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 𝑚𝑒𝑛𝑜𝑟 𝑎 𝑢𝑛 𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜, 𝑠𝑒 𝑡𝑜𝑚𝑎 𝑐𝑎𝑚𝑏𝑖𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑑𝑜 𝑎𝑑𝑖𝑎𝑏á𝑡𝑖𝑐𝑜. 𝑃𝑜𝑟 𝑡𝑎𝑛𝑡𝑜;

𝑃1 ∗ 𝑉1 𝑉3 = [ 𝑃3

𝑘

1 𝑘

1

900 𝑃𝑆𝐼 ∗ (12655𝑐𝑚3 )1.4 𝑘 ] =[ ] 2200

𝑉3 = 6683,29𝑐𝑚3 = 6,683 𝑙𝑡𝑠

142


𝑡𝑝𝑟𝑒𝑐 =

12655𝑐𝑚3 − 6683,29𝑐𝑚3 593,046

𝑐𝑚3


=

𝑠𝑒𝑔

𝑡𝑝𝑟𝑒𝑐 = 10,07 𝑠𝑒𝑔

𝑡𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 =

3198,014𝑐𝑚3

593,046

𝑐𝑚3 𝑠𝑒𝑔

𝑡𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 = 5,393 𝑠𝑒𝑔

143



144



Fuente: Google-hydraulic motors

145



146



N 𝑸𝒎 Cm = [cm3 /rev] Cm = [in3 /rev]

 𝑇𝑁𝑚 =

𝐶𝑚 2𝜋

𝑻 ∗ ∆𝑃 ; 𝑡𝑖𝑒𝑛𝑒 𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑎𝑟𝑟𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒

 𝑇𝑚 = 𝑇𝑁𝑚 ∗ ɳ𝑚𝑚 =  𝑄𝑚 = 

𝐶𝑚 ∗𝑁𝑚

 𝑄𝑚 =

𝐶𝑚 ∗𝑁𝑚

𝐶𝑚 2𝜋

∗ ∆𝑃 ∗ ɳ𝑚𝑚

ɳ𝑣𝑚

ɳ𝑣𝑚

147



 ɳ𝑡𝑚 = ɳ𝑣𝑚 ∗ ɳ𝑚𝑚  𝑇𝑚 =

𝐶𝑚 2𝜋

∗ ∆𝑃 ∗ ɳ𝑚𝑚 ∗ ɸ ∗ 𝑅⁄𝑃 ∗ ɳ𝑅⁄

𝑃

𝑵𝒐𝒕𝒂: (ɳ𝑹⁄ ) 𝑬𝒔𝒕𝒐 𝒆𝒔 𝒔𝒊 𝒆𝒍 𝒎𝒐𝒕𝒐𝒓 𝒂𝒓𝒓𝒂𝒏𝒄𝒂 𝒅𝒆 𝒄𝒆𝒓𝒐 𝒚 𝒕𝒊𝒆𝒏𝒆 𝒖𝒏 𝒓𝒆𝒅𝒖𝒄𝒕𝒐𝒓 𝒑𝒍𝒂𝒏𝒆𝒕𝒂𝒓𝒊𝒐 𝑷

En general, un motor desempeña la función de convertir la potencia fluida en potencia mecánica giratoria, o convertir la Presión de Fluido en Torque, éste último es función de la presión o más exactamente, la presión de entrada en el motor es determinada por el Torque Resistivo.  Todos los motores hidráulicos tienen semejanzas, por ejemplo, deben tener una superficie sometida a una diferencia de presiones, dicha superficie es rectangular en los Motores de Engranajes, Paletas y Orbitales, mientras que en los Motores de Pistones Axiales y Radiales es circular. Estas superficies, están conectadas mecánicamente a un eje de salida que transmite la energía mecánica al equipo accionado por el motor.  El concepto popular es que los Motores hidráulicos no son más que Bombas operando al revés y aunque superficialmente esto sea cierto, muchas de sus diferencias en cuanto a diseño y construcción están enfocadas al tipo de Eficiencia que deben manejar.  La fuerza motriz de una Bomba Hidráulica es el motor eléctrico conectado a ella, por tanto el Torque de Arranque es suficiente, sin embargo en un Motor hidráulico la fuente de energía que vence las fuerzas de arranque es el fluido presurizado. La sumatoria de las fuerzas requeridas en el arranque establecen el Torque requerido para el arranque del motor. Entonces una cierta presión debe ser entregada antes del primer giro del motor. En las Bombas, el objetivo es transferir tanto fluido por revolución como sea posible, es por eso que la eficiencia volumétrica (ɳv) es optimizada a expensas de la eficiencia mecánica (ɳm).

148



Debido a que Los Motores Hidráulicos entregan potencia mecánica a la carga ellos deben extraer la máxima energía del fluido y procurar generar la menor cantidad de pérdidas posibles, es por eso que se busca garantizar una alta ɳm sacrificando un poco la ɳv.  En algunos diseños esta presión inicial requerida es extremadamente grande, por esta razón, cuando se selecciona un motor para una aplicación específica se debe garantizar que el Torque sea suficiente no solo para continuar con el movimiento de la carga, sino para vencer el torque requerido e iniciar el movimiento.  Los Motores Hidráulicos se pueden detener sin daño alguno.  Con caudal de entrada y presión de trabajo constante, el motor de desplazamiento Fijo suministra un Par constante a Velocidad constante. Bajo las mismas condiciones el motor de desplazamiento variable proporciona un Par variable a Velocidad variable.  El Par es función de la presión del sistema y del desplazamiento del motor.  Los Motores Hidráulicos operan con base en un desbalance que ocasiona la rotación del eje, este desbalance se genera de diversas maneras y dependen de cada tipo de motor.  Los Motores Hidráulicos son dispositivos de Desplazamiento Positivo; es decir que mientras reciban un caudal constante de flujo la velocidad del eje permanecerá constante, independiente de la presión.  Los Motores Hidráulicos empleados en un sistema industrial se pueden clasificar de la siguiente manera:

149



 Externos Engranes

 Internos

.  Equilibradas  Des-equilibradas

Paletas

 Fijas

Pistones

 En línea  En ángulo  Radiales

 Otra forma de clasificación de los Motores Hidráulicos es su construcción.  Al igual que en las bombas, los motores hidráulicos también se clasifican de acuerdo a su aplicación:

 Motores de Velocidad elevada y par bajo: ventiladores, generadores y compresores.  Motores de baja velocidad y par elevado: motores de grúas  Motores de rotación limitada: generadores de par

150



MOTORES DE ENGRANAJES

FUENTE: [http://www.maquinariaspesadas.org/cursos/fbshc/1536-bombas-motores]

 La precisión en las tolerancias es indispensable para evitar fugas de fluido.  Produce un Par Torsor de salida sobre su eje mediante la acción de la presión hidráulica sobre los dientes de sus engranes. 151



 Los motores Hidráulicos funcionan gracias a un desbalance que da por resultado la rotación del eje, en este motor el desbalance lo provocan los dientes del engrane cuando se desembonan.





152





 Rexroth-Bosh

153



 Un grupo rotatorio formado por dos engranes. Un Motor de Engranajes consta de:

 Una carcasa con puertos de entrada y salida.  Engranaje impulsor: Se encuentra acoplado al eje,

que a su vez se conecta con la carga.  Engranaje impulsado.

 La salida de un Motor de Engranes se encuentra a una presión mucho menor.  Mientras mayor sea el diente del engrane o la presión, mayor será el Par Torsor producido.  Para que un Motor de Engranes gire en dirección opuesta los dientes tendrían que embonar en lugar de desembonar.

154



Los engranes que embonan generan un volumen decreciente que empuja el fluido hacia afuera de la carcasa, por ellos los engranes no tienen otra opción más que desembonar.  El sentido de rotación puede invertirse, invirtiendo la dirección del caudal.  Los segmentos de 2 dientes engranados tienden a oponerse a la rotación haciendo que el par disponible sea función de un diente.  Es evidente que los engranes no están equilibrados hidráulicamente. La alta presión a la entrada y la baja presión a la salida originan elevadas cargas laterales sobre el eje y los engranajes, así como sobre los cojinetes que los soportan. Es posible equilibrar estos esfuerzos laterales mediante orificios y pasajes internos, sobre los que se distribuyen las presiones correspondientes a 180º aparte. No obstante, este tipo de equilibraje se encuentra más frecuentemente en los Motores de Paletas.  Estos motores de engranes esta con frecuencia limitados a presiones de hasta 3000 Psi y a rotaciones máximas de 2400 RPM.

La mayoría de los Motores de

Un Motor de Engranes

Este tipo de motores

Engranes ha sido creado a

soporta cargas de choque

se

partir de diseños de Bombas

mejor que cualquier otro

frecuentemente

de

con

motor, debido a que su eje

hidráulica móvil y en

las

está construido de manera

la

características internas que

solidaria

para accionar cintas

permiten rotación en ambas

diferencia de los motores

transportadoras,

direcciones y una disposición

de Paletas y Georotor cuyo

separadores,

a la conexión de fugas.

eje es estriado.

ventiladores, etc.

Engranes

modificaciones

en

al

engrane

a

usan

técnica

en

agraria

Este tipo de Motor también puede trabajar como Bomba colocando de manera correcta el puerto de succión y el de descarga.

155



MOTOR DE ROTOR ENGRANADO (GEOROTOR).

FUENTE: [http://forums.hydraulicspneumatics.com/eve/forums/a/tpc/f/8641063911/m/4777055436]

156



157



FUENTE: [http://www.parker.com/Literature/Hydraulic%20Pump%20&%20Motor

158



 es un tipo de motor de Engranajes Internos muy común en los sistemas industriales. Posee un engrane impulsor interno que se acopla al eje conectado a la carga y uno impulsado externo, el cual posee un diente más.  El desbalance es ocasionado por la diferencia en el área de engrane expuesta a la presión hidráulica en la entrada del motor, la presión del fluido actúa sobre los dientes expuestos en forma desigual, esto provoca un par torsor sobre el eje del motor. Mientras más grande sea en engrane o más intensa sea la presión, mayor será el par torsor que se produce sobre el eje.  Vienen también diseñados como geroller.

159





160



161



MOTOR DE PALETAS.

162



 Es un motor de desplazamiento positivo que emplea la presión hidráulica para extender sus paletas y producir un par torsor de salida sobre su eje. A medida que el rotor gira, las paletas siguen la superficie de un anillo formando cámaras cerradas que arrastran el fluido desde la entrada a la salida.  En el diseño equilibrado hidráulicamente la presión aplicada en cualquiera de los dos orificios, se dirige a las dos caramas interconectadas a 180° una de la otra. Las cargas laterales que se producen son opuestas y se neutralizan mutuamente.  Los Motores de Paletas balanceados de alta velocidad tienen capacidades de frenado a velocidades altas y moderadas, sin embargo las, relativamente bajas, eficiencias volumétricas imponen algunas limitaciones en las capacidades de frenado a bajas velocidades.  Tienen excelente aceleración desde cero RPM.  La durabilidad no es afectada por la operación continua a bajas velocidades con carga. Una alta inercia de la carga junto con moderadas y uniformes demandas de torque facilita la operación con caudal parejo a bajas velocidades.  La presencia de cojinetes antifricción al final del eje permite una buena capacidad de carga lateral por engranes, poleas o ruedas dentadas.  Los motores de paletas tal como los de pistones requieren una conexión de drenaje en la carcasa para ventear el área del sello del eje al depósito.

MOTORES DE PALETAS TIPO CUADRADO. Estos motores se clasifican en:

1. De perno-abrazadera 163



 Unos balancines accionados por muelles unidos al rotor, fuerzan las paletas contra el anillo elíptico. En funcionamiento la presión aplicada en la parte inferior de las paletas, también las mantiene en contacto con el anillo como se puede apreciar en la siguiente figura.

2. Con platos de presión:  La placa de presión está diseñada para mantener paralizado al grupo giratorio a través de la presión aplicada sobre la superficie externa.  2 válvulas esféricas de vaivén en la placa de presión interconectan pasajes para mantener esta presión independiente del orificio que este presurizado. El sentido del motor puede invertirse invirtiendo la dirección del caudal.

164



FUENTE: [Manual de Hidráulica Industrial Vickers.]

165



DISEÑO BALANCEADO DE UN MOTOR DE PALETAS.  En un motor hidráulico se ven involucradas 2 presiones distintas, la presión de trabajo del sistema que es la misma que está a la entrada y la presión de línea hacia el tanque que se encuentra en la salida. La acción de las dos presiones provoca una carga lateral sobre el eje que puede ser considerable para presiones altas en el sistema. Para evitar esta carga lateral sobre el eje, el contorno interior del anillo se construye con un perfil de leva, en lugar de un contorno circular. Con este arreglo, los dos cuadrantes de presión se oponen y las fuerzas sobre el eje se balancean, por ende la carga lateral sobre el eje se elimina.  Generalmente los motores de Paletas que se emplean en los sistemas hidráulicos industriales son de diseño Balanceado. Una característica principal de los motores de Paletas balanceados es su tamaño compacto, su construcción simple y la ausencia de cargas en los cojinetes.

166



MOTORES DE PALETAS DE ALTO RENDIMIENTO  Es un diseño posterior al motor de Paletas equilibrado hidráulicamente, donde las paletas se mantienen contra el anillo mediante muelles cilíndricos  Estos motores son reversibles y las 2 placas laterales funcionan alternativamente como placas de presión según la dirección del caudal.

FUENTE: [Manual de Hidráulica Industrial Vickers.]

167



168



169



MOTOR DE PALETAS DE PAR ELEVADO.  Debido a su par elevado posee una baja velocidad  Este tipo de motores de Paletas está disponible en diversos tamaños, hay diseños desde 5 a 150 RPM con un par máximo de 620 [m*kg].  Este motor se usa en transportadores pesados mesas giratorias, unidades de volqueo, cabrestantes y otras aplicaciones en las cuales su elevada capacidad de torque sea ventajosa.

EXTENSION DE LAS PALETAS DEL MOTOR  Antes de que un motor de Paletas pueda operar debe extender sus paletas.  A diferencia de una bomba de Paletas, no se puede confiar en la fuerza centrífuga para expulsar las paletas y crear un sello positivo entre la leva anillada y el extremo de la paleta. 170



Existen 2 métodos para extender las paletas:

POR RESORTES (Resorte de espiral y Resorte pequeño de alambre (balancín).

3. Dirigiendo la presión hidráulica hacia la parte inferior de las paletas.

Este método no permite que el fluido entre a la El resorte sujeto a uno de

cámara de la paleta hasta que la misma se

los

logra

encuentre totalmente extendida y exista un

extender las paletas, en

sello positivo en su punta. Cuando la fuerza es

estos métodos de resorte

suficientemente grande y puede vencer la

la presión del fluido se

fuerza del resorte que actúa sobre la válvula

dirige

parte

antiretorno interna, el fluido entra a la cámara

inferior de las paletas tan

del resorte y produce el par torsor sobre el eje

pronto como se produce

del motor. En este caso la válvula antiretorno

un par torsor.

desempeña un papel secuencial.

extremos

hacia

la

MOTORES DE PISTONES.  Son probablemente los más eficientes y normalmente son capaces de suministrar presiones y velocidades elevadas. En particular se utilizan en aplicaciones aeroespaciales debido a su elevada relación Potencia/Peso.  Los motores de Pistones en Línea, gracias a su construcción sencilla y por consiguiente bajo precio, encuentran muchas aplicaciones en máquinas herramienta y equipos móviles.

171



MOTORES DE PISTONES AXIALES.

FUENTE: [http://www.modernhydraulics.net/tag/swash-plate]

172



173



 Los motores de Pistones en Línea ofrecen una combinación favorable de alta eficiencia, robustez y relativa simplicidad.  Generalmente son de alta velocidad.  La alta eficiencia de estos motores en línea y su adaptabilidad a los sistemas de alta presión hacen que sean muy populares en los sistemas móviles e industriales, además de la capacidad de desplazamiento variable los hace particularmente deseables para las maquinas industriales que requieran operar rápidamente en recorridos con baja carga para después hacerlo a baja velocidad con cargas grandes. Un ejemplo de aplicación comparable para equipos móviles es en los motores de ruedas. Se necesita una alta capacidad de Torque a bajas velocidades para operar en terrenos difíciles y una alta velocidad con menos carga en vías pavimentadas. …………………….

 La descomposición de las fuerzas se produce en la placa inclinada en los patines y en el cilindro. Los patines del pistón están apoyados hidrostáticamente garantizando una elevada vida útil en los motores.  Debido a la elevada ηv de los motores en línea permite unas velocidades estables con un determinado caudal, aunque las demandas de Torque varíen. Además de esto tienen excelentes capacidades de frenado. Esta capacidad de frenado es muy importante cuando se impulsan llantas y winches. A demás, la alta eficiencia hace que el desempeño de estos motores en línea sea poco sensible a los cambios de viscosidad que se generan debido a las altas temperaturas de operación. La eficiencia permanece prácticamente constante para un alto rango de temperaturas.

174



 Al igual que las Bombas en línea, los ejes de los motores de Pistones en línea están montados en cojinetes, esto les da una buena capacidad de soportar cargas laterales provenientes de poleas, engranes o ruedas dentadas conducidas.  En las versiones de desplazamiento variable la carrera de los pistones puede ser variada manualmente o por medio de actuadores hidráulicos los cuales permiten el control remoto. Las conexiones directas pueden ser difíciles de usar en la impulsión de llanta y otras aplicaciones.

MOTORES DE PISTONES AXIALES DE DESPLAZAMIENTO VARIABLE.  Plato basculante.  Un barril de cilindro.  Pistones.  Una placa de zapatas El Motor de Pistones Axiales consta de:

 Un resorte que actúa sobre la

placa de zapatas.  Una placa con puertos.  Eje  La magnitud del par torsor depende la presión del sistema y del ángulo de desplazamiento provocado por el plato basculante. Si el par torsor es suficientemente grande, el eje comenzara a girar. El pistón continuara produciendo el par torsor mientras la presión del fluido lo empuje fuera del barril de cilindros. Una vez que el pistón pasa sobre el medio círculo el plato basculante lo empuja hacia el interior del barril. En este momento el cilindro que contiene al pistón se comunica con el puerto de salida de la placa de puertos.

 En un motor es estos cada pistón produce el par torsor únicamente en la mitad de la trayectoria circular en la rotación del barril de cilindros y del eje.

175



En la práctica el barril de cilindros contiene varios pistones, lo que permite que el eje del motor rote continuamente y que el par torsor se desarrolle al máximo.

 De los motores de Engranajes, Paletas, y Pistones, son estos últimos los que se encuentra disponibles para el desplazamiento variable. Estos motores de pistones pueden ser de desplazamiento variable o fijo, a su vez al ángulo de inclinación de la placa determina su desplazamiento.  En el motor de desplazamiento variable la placa inclinada está montada en un bloque oscilante y el ángulo puede modificarse de varias formas, bien sea con palancas, volantes o servocontroles. Al aumentar el ángulo de la placa inclinada, se aumenta el par del motor pero disminuyen la velocidad de rotación de su eje, inversamente al reducir el ángulo, se reduce el par y aumenta la velocidad del eje. Se disponen generalmente un ángulo mínimo para que el par y la velocidad permanezcan dentro de los límites operativos.

 El desplazamiento de un motor de Pistones cualquiera que fuese, se determina por la distancia que los pistones se desplazan en el barril de cilindros. Por tanto si se cambia el ángulo del plato basculante, el desplazamiento del motor y en consecuencia la velocidad de eje y el par torsor de salida pueden modificarse.

176



177



178



MOTORES DE PISTONES RADIALES.

179



FUENTE: [http://www.parker.com/Literature/Hydraulic%20Pump%20Division/Hydraulic%

 Son motores de par elevado y baja velocidad y no poseen su contraparte referente a Bombas, son sencillas de instalar y operar, además de que no requieren ningún tipo de mantenimiento especial, dado que todas las partes se auto-lubrican con el aceite que se moviliza.  Los cilindros telescópicos transmiten la potencia a través de una excentricidad formada en el eje.  Una placa de apoyo o desgaste está en contacto con la cara izquierda de la placa de distribución y arandelas de Belleville en la parte posterior de la carcasa mantienen el contacto inicial entre las 3 placas. Las placas de apoyo y distribución están equilibradas hidráulicamente para asegurar una estanqueidad y lubricación optima durante el funcionamiento.

 Todas las partes de baja presión de la carcasa están en comunicación con el depósito mediante pasajes de drenaje en las placas de distribución y desgaste.  Se puede invertir la rotación del eje invirtiendo la dirección de circulación del líquido entre los orificios de entrada y salida.

180



 La lubricación de las caras de la placa de distribución y de los bordes de los cilindros se realiza mediante las fugas internas.  La línea de drenaje tiene que instalarse de forma que la carcasa permanezca llena de líquido para asegurar la lubricación. Motores Radiales de Motores Radiales de piestones PISTONES/CIGÜEÑAL con cigüeñal con pistones apoyados pistones apoyados en cojinetes. hidrostaticamente. 4 diseños tipifican 4 formas bien pensadas de alcanzar altos torque y bajas velocidades. Motores Radiales de Pistones Motores de Pistones Radiales Guia (permite ser montado segun el principio de carrera directamente sobre el eje de las multiple llantas en una aplicacion móvil)

MOTORES DE PISTONES EN ÁNGULO.

FUENTE: [http://www.atmosferis.com/bombas-de-piston-axial/]

181



182



FUENTE:[http://www.parker.com/Literature/Hydraulic%20Pump%20Division/HydraulicHPD

183



 En este diseño el bloque de cilindros y el eje de accionamiento están montados formando un ángulo entre si y la reacción se ejerce contra la brida del eje de accionamiento.  La velocidad y el par varían en función del ángulo desde un valor mínimo predeterminado de las RPM, con un desplazamiento y un par máximos a un ángulo de aproximadamente 30°, hasta unas RPM máximas con un desplazamiento y un par mínimo en aproximadamente 7,5°. Existen modelos de desplazamiento fijo y variables.  El sentido de rotación del eje se puede cambiarse, invirtiendo la dirección del caudal enviado al motor.  NO resulta práctico invertir el sentido de rotación del motor desplazando el boque basculante al otro lado de la posición central, porque el par tendería a cero y la velocidad aumentaría infinitamente (si no se bloquea el motor antes de llegar a la posición central).

Un aspecto importante es que la descomposición de la fuerza se produce en la brida motriz, esta conversión de par de giro en fuerzas de pistón en el motor garantiza rendimientos óptimos. Una simple descomposición de fuerzas significa una y solo una pérdida de rendimiento.

184



185



186



MOTORES OSCILANTES  Los motores oscilantes son actuadores de rotación parcial que NO pueden girar continuamente en la misma dirección.  Normalmente el giro está limitado a algo menos de una revolución. Los motores oscilantes típicos son del tipo Paleta Simple y Doble o del tipo Cremallera que desarrolla pares sumamente elevados, con rotaciones superiores a una vuelta.

MOTORES HIDRAULICOS EN UN CIRCUITO  Generalmente los motores hidráulicos se drenan externamente, esto significa que una porción del caudal que entra al motor se pierde por fugas. Conforme crece el par torsor requerido y la presión en el motor, mayor es la cantidad de caudal que circula a través de un drenaje, y como resultado la velocidad del motor disminuye.  Para obtener un control preciso de velocidad para un motor hidráulico, se emplea un circuito con descarga regulada.

Un circuito con descarga regulada controla el caudal que sale del motor y no tiene relación con las fugas. Este es el único circuito que puede controlar con precisión la velocidad del eje del motor sin importar la magnitud de la carga.

187



CURVAS DE FUNCIONAMIENTO (Datos de fábrica por ensayos) Q

 𝑄𝑵𝒎 = 𝐶𝑚 ∗ 𝑁𝑚

Cm= 5 [in3/rev]

𝑄𝑵𝒎 = 5 ∗ 1000

Qm2

𝑄𝑵𝒎 = 5000 [𝑖𝑛3/𝑟𝑒𝑣] 𝑄𝑵𝒎 = 21,64 [𝑔𝑝𝑚]

Qm1

𝑄𝑵𝒎⁄ 𝜂𝒗𝒎 21,64 𝑄𝒎 = ⁄0,92 𝑄𝒎 = 23,53 [𝑔𝑝𝑚]

 𝑄𝒎 = QNm=21,64 gpm

Nm Tm [Lb*in]

Toperac.

@ P2 Si quedo acá,

TArranqu

1500

tomo el mayor.

@ P1

P2>P

Si quedo acá, tomo 1500

200  𝑇𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎𝑐 =

𝑇𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎𝑐 =

𝐶𝑚 2𝜋

5 2𝜋

Nm [RPM]

∗ ∆𝑃 ∗ 𝜂𝑚𝑒𝑐

;

𝑇𝑁𝑚 =

∗ 2500 ∗ 0,94

;

𝑇𝑁𝑚 =

𝐶𝑚 2𝜋

5 2𝜋

∗ ∆𝑃

∗ 2500

188


𝑇𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎𝑐 = 1870 [𝐿𝑏 ∗ 𝑖𝑛]

;


𝑇𝑁𝑚 = 1990 [𝐿𝑏 ∗ 𝑖𝑛]

 Estos son datos reales tomados de un banco de pruebas de un fabricante X

CARGAS. EJEMPLO Tm , Nm

R/P

D=40 30 cm/s

 𝐾𝑊 = 𝐹 ∗ 𝑉

10 Ton

𝐾𝑊 = 100.000 ∗ 0.3 𝐾𝑊 = 30 [𝐾𝑤].  𝑙𝑎 𝐺𝑟𝑎𝑣𝑒𝑑𝑎𝑑 𝑠𝑒 𝑡𝑜𝑚𝑎 𝑐𝑜𝑚𝑜 10 [𝑚⁄𝑠 2 ]  𝐹 = 50 [𝐾𝑁]  𝑉𝑤 = 0,6 [m/s], esto es para el Winche.  𝑤 = 𝑉⁄𝑟  𝑤 = 0,5⁄20𝑥10−2

 𝑤 = 28,64 [𝑅𝑃𝑀]

 𝑚 = 𝑁𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟⁄𝑁𝑤𝑖𝑛𝑐ℎ𝑒

 𝑇𝑤 = 𝐹 ∗ 𝑟 𝑇𝑤 = 50.000 ∗ 20𝑥10

 𝑁𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 = 25 ∗ 28,64 −2

 𝑁𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 = 716,19 [𝑅𝑃𝑀]

𝑇𝑤 = 10.000 [𝑁 ∗ 𝑚]  𝑅⁄𝑃 = 25: 1 , 𝜂𝑅⁄ = 0,95 𝑃  𝑇𝑎𝑟𝑟𝑎𝑛𝑞 =

𝑇𝑤 ⁄𝑅⁄ ∗ 𝜂 𝑃 𝑅⁄

𝑃

 𝑇𝑎𝑟𝑟𝑎𝑛𝑞 = 10.000⁄25 ∗ 0,95  𝑇𝑎𝑟𝑟𝑎𝑛𝑞 = 421,1 [𝑁 ∗ 𝑚]

189



Ejemplo. Encontrar el Cm. y Qm con los siguientes datos:  Tarranq= 421,1 [N*m]

 𝑇𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎𝑐 =

 𝛥Pm= 174 [bar]  ηmm= 0,94

𝐶𝑚 =

 ηvm= 0,92

𝐶𝑚 2𝜋


526,315 ∗ 2𝜋 174𝑥105 ∗ 0,94

𝐶𝑚 = 2,02 [𝑚3 ⁄𝑟𝑒𝑣]

 ∅= 0,8

𝐶𝑚 = 202 [𝑐 𝑚3 ⁄𝑟𝑒𝑣]

 𝑇𝑎𝑟𝑟𝑎𝑛𝑞 = ∅ ∗ 𝑇𝑂𝑝𝑒𝑟𝑎𝑐 𝑇𝑂𝑝𝑒𝑟𝑎𝑐 = 421,1⁄0,8

 𝑄𝑚 =

𝑄𝑁𝑚⁄ 𝜂𝑣𝑚

𝑄𝑚 = 38,21⁄0,92

𝑇𝑂𝑝𝑒𝑟𝑎𝑐 = 526,315 [𝑁 ∗ 𝑚]  𝑄𝑁𝑚 = 𝐶𝑚 ∗ 𝑁𝑚

𝑄𝑚 = 42 [𝑔𝑝𝑚]

𝑄𝑁𝑚 = 202 ∗ 716,19 𝑄𝑁𝑚 = 144.571,8 [𝑐 𝑚3 ⁄𝑚𝑖𝑛 ] 𝑄𝑁𝑚 = 38,21 [𝑔𝑝𝑚]

MOTOR VARIABLE. 𝑇𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎𝑐 =  𝑄𝑚 = 𝑁𝑚 =

𝐶𝑚 2𝜋


𝐶𝑚 ∗𝑁𝑚 𝜂𝑣𝑚

𝜂𝑣𝑚 ∗ 𝑄𝑚 𝐶𝑚

CUANDO TENEMOS QUE

Cm

Nm

Y

La razón de ser del motor variable

Tm

es

GANAR

aprovechando

Cm

Nm

Y

Tm

VELOCIDAD que

los

torque

inerciales han sido vencidos.

190



CARGA INERCIAL

191



CALCULOS PARA EL PENDULO.

192



193



EJEMPLO. DATOS:

        

R/P= 20:1 D= 40 [cm] W= 75 [kgf] L= 120 [cm] T= 0,5 [seg], para π/3 ∆P= 120 [Bar] = 120x10P= 120 [Bar] = 120x10 5 [Pa] ɳR/P= 0.92 ɳmm= 0.92 ɸ= 0.65

194



SOLUCION:

 𝛼= 𝛼=

 𝑇𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎𝑐 =

2∗𝜃 𝑡2

𝐶𝑚

∗ ∆𝑃 ∗ ɳ𝑚𝑚

2𝜋

151,95 ∗ 2𝜋 120𝑥105 ∗ 0,92 𝐶𝑚 = 86,48 [𝑐𝑚3 ⁄𝑟𝑒𝑣] 𝐶𝑚 = 5,27 [𝑖𝑛3 ⁄𝑟𝑒𝑣]

𝜋

2∗ 3

𝐶𝑚 =

0,52 𝛼 = 8,37 [𝑟𝑎𝑑⁄𝑠 2 ]

 𝑇𝑤 = 𝑤 ∗ 𝐿 𝑇𝑤 = 750 ∗ 120𝑥10−2 𝑇𝑤 = 900 [𝑁 ∗ 𝑚]

 𝑇𝑇 = 𝑅⁄𝑃 ∗ ɳ𝑅⁄ ∗ 𝑇𝑎𝑟𝑟𝑎𝑛𝑞 𝑇𝑎𝑟𝑟𝑎𝑛𝑞 = 𝑅⁄

𝑃 𝑇𝑇

𝑃 ∗ ɳ𝑅⁄𝑃

 𝑇𝑗 = 𝑗 ∗ 𝛼 𝑇𝑗 = 109,5 ∗ 9,37 𝑇𝑗 = 917,3 [𝑁 ∗ 𝑚]

𝑇𝑎𝑟𝑟𝑎𝑛𝑞 =

1817,34 20 ∗ 0,92

𝑇𝑎𝑟𝑟𝑎𝑛𝑞 = 98,76 [𝑁 ∗ 𝑚]  𝑇𝑎𝑟𝑟𝑎𝑛𝑞 = ɸ ∗ 𝑇𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎𝑐 𝑇𝑎𝑟𝑟𝑎𝑛𝑞 𝑇𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎𝑐 = ɸ

 𝑇𝑇 = 𝑇𝑗 + 𝑇𝑤 𝑇𝑇 = 917,3 + 900 𝑇𝑇 = 1817,34 [𝑁 ∗ 𝑚]

𝑇𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎𝑐 =

98,76 0,65

𝑇𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎𝑐 = 151,95 [𝑁 ∗ 𝑚] Tm [RPM]

300

250 1

Lo aproxima al de arriba.

100 Estas curvas sirven para

sacar

la

eficiencia.

Nm 195



CALCULOS PARA LA PLATAFORMA.

196



FRENADO (MVA: Motor Control Valve).

P

α Pp*α + P2 = Ptcb

D

Pp*α = Ptcb - P2

P

Balance en el motor:  𝑇𝑤 =

𝑃𝑝 ∗ 𝛼 = 𝑃𝑡𝑐𝑏 − (𝑃𝑝 + 𝑃𝑝 ∗ (𝛼 + 1) = 𝑃𝑡𝑐𝑏 −

𝑃𝑝 =

𝑃𝑡𝑐𝑏 −

𝑤

𝐷

∗2 𝑤∗𝐷 𝑇𝑤 = 4

 ∆𝑃𝑚 = 𝑃2 − 𝑃1 ∆𝑃𝑚 = 𝑃2 − 𝑃𝑝 𝑃2 = 𝑃𝑝 + ∆𝑃𝑚 𝑤∗𝜋∗𝐷 2∗𝐶𝑚

)

𝑤∗𝜋∗𝐷 2 ∗ 𝐶𝑚

𝑤∗𝜋∗𝐷 2∗𝐶𝑚

2

 𝑇𝑤 = 𝑇𝑇 = 𝑇𝑎𝑟𝑟𝑎𝑛𝑞 = 𝑇𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎𝑐 = 𝑇𝑁𝑚 𝑤 ∗ 𝐷 𝐶𝑚 ∗ ∆𝑃𝑡𝑐𝑏 = 4 2𝜋 𝑤∗𝜋∗𝐷 ∆𝑃𝑡𝑐𝑏 = 2 ∗ 𝐶𝑚

(𝛼 + 1 )

 𝑇𝑁𝑚 =

𝐶𝑚 ∗∆𝑃𝑡𝑐𝑏

CRITICO

2𝜋

 Cuando tenemos que bajar o reducir la presión se puede aumentar la relación del reductor planetario o aumentar la capacidad o desplazamiento, pero esto es muy costoso por lo tanto se opta por utilizar un polipasto o pegar el cable al techo.

197



La

tensión

disminuye el doble y

la

velocidad

debería

aumentar

al doble.

MOTORES EN SERIE Y PARALELO MOTORES EN PARALELO

∆P1=∆P

Debido a que poseo dos Cm, el Torque

QB/

QB/ aumenta

y

la

velocidad en R.P.M.

 𝑇 = Cm ∗ ∆P1 + Cm ∗ ∆P2 𝑇 = Cm ∗ (∆P1 + ∆P2) ; ∆P1 = ∆P2 𝑇 = 2 ∗ Cm ∗ ∆P1  ∆Pt = ∆P1 + ∆P2 ∆Pt = 2∆P1 MOTORES EN SERIE El toque disminuye a medida que las R.P.M.

∆P1≠∆P2

𝑇 = Cm ∗ ∆P1 + Cm ∗ ∆P2 𝑇 = C_m ∗ (∆P1 + ∆P2) 198



Los motores llevan drenaje interno para evitar cavitación

NO es un centro TANDEM, es de propósito especial Direccional de 5 galones, y la bomba envía 6,5 galones.

EJEMPLO.

5 Bar α

D

Ptcb DATOS:

199



COMPENSACION DE PRESION EN MOTORES HIDRAULICOS

El compensador hidráulico se utiliza para modificar el desplazamiento del motor, en respuesta a cambios de la carga trabajo. Un pistón accionado por un muelle está conectado mecánicamente al bloque basculante y lo mueve en respuesta a las variaciones de la presión de trabajo. Todo aumento de carga va acompañado por un aumento correspondiente de presión, como resultado de un par adicional necesario el compensador, entonces, ajusta automáticamente el bloque oscilante

200



de forma que el par aumenta con una carga más elevada y disminuye cuando la carga es ligera. Igualmente el compensador regula el desplazamiento para obtener un rendimiento máximo, cualquiera que sea la carga hasta el ajuste de la válvula de seguridad. El compensador ajusta la velocidad a la carga disminuyendo o aumentando el ángulo de la placa.

Funcionamiento del motor hidráulico compensado. 1. El muelle de retorno de la placa osciladora lo sitúa en la posición de desplazamiento mínimo que corresponde a la velocidad máxima y al Torque mínimo

Placa Osciladora

4. El pistón posicionador de la placa osciladora aumenta el desplazamiento del motor reduciendo su velocidad y aumentado el Torque.

5. El conducto de drenaje lleva el aceite de control a la carcasa del motor.

2. El muelle de ajuste regula la presión de taraje del compensador.

3. La corredera del compensador se mantiene abierta contra el muelle por efecto de la presión del sistema y deja pasar el aceite al pistón posicionador de la placa osciladora a su presión de taraje.

201



 La diferencia entre las figuras de los compensadores de presión en bombas y motores es que en los motores la placa comienza en posición “casi” vertical, mientras que en las bombas la placa inicialmente se encuentra inclinada.

El propósito del compensador es ganar un delta de torque a expensas de la velocidad. Funciona con un resorte que debe vencerse para que la placa se abra al máximo y se pueda ganar torque. A mayor ángulo en la placa oscilante, se obtiene una menor velocidad, pero un mayor Delta de Torque.

Símbolo hidráulico del motor compensado.

Curva de funcionamiento del compensador de presión en

NM [RPM]

un motor hidráulico.

202


vm


La compensación puede generar un

delta

de

Torque

aproximadamente 30%

T EJEMPLO Un motor hidráulico con compensador de presión que genera un delta de torque de 15% tiene una capacidad de 100

cm3 , un P  150 bar , un caudal de motor de 100 rev

LPM, una eficiencia volumétrica vm  0,92 y una eficiencia mecánica mm  0,94 . Construya la curva de funcionamiento del compensador.

Solución: 1

Nm Nm1

vm

Nm2 2

T Tm1

Tm2

QNm  N m1  N m1 

Cm  N m1

vm QNm vm

203

Cm 100000 cm

3

min

cm3

 0,92

de



Qm  Cm  N m Nm 

100000 cm 85 cm

3

min

3

rev N m  1176 [RPM ]

Cm,comp  N m 2

QNm  Nm2  Nm2 

vm QNm vm Cm,comp

Nm2

3

 0,92 min 3 100 cm rev  920 [RPM ]

100000 cm

Cm  P mm 2 3 85 cm 150 Ba 10  0,94 rev 100 Tm1  [N.m] 2 Tm1  190, 7 [N.m]

Tm1 

204



Cm  P mm 2 3 100 cm 150 Ba  0,94 1 rev   [N.m] 2 10 Tm 2  224, 4 [N.m]

Tm 2  Tm 2

Se debe tener en cuenta que desde el arranque hasta el punto 1 de la gráfica, el motor trabaja a un 85% de su capacidad, y cuando inicia su compensación sí trabaja al 100%.

TRANSMISIONES HIDROSTÁTICAS (HTS).

205



206



207



La función primordial de una HTS es recibir potencia desde un motor (usualmente el motor es de combustión interna en equipos móviles y eléctrico en equipos estacionarios) tiene su propio conjunto de características y posteriormente transmitir esa energía a una carga que también tiene sus características particulares. En dicho proceso las HTS generalmente de debe regular el torque, la velocidad de rotación del eje, la potencia y en algunas ocasiones la dirección de la rotación, lo cual se acostumbra hacer con reductores, poleas o cadenas.  Dependiendo de su configuración, las HTS pueden conducir una carga máxima velocidad en una dirección y luego en la dirección opuesta, también a la máxima velocidad con infinitas variaciones de velocidad entre los dos máximos. El principio de operación de las HTS es sencillo: una bomba conectada como si fuera una una caja de cambios para conducir un motor hidráulico, el cual está conectado a la carga.

 Si el desplazamiento de la bomba y el motor son fijos, la HTS actúa como una caja de cambios para transmitir potencia desde el motor primario hasta la carga. Sin embargo la inmensa mayoría de las HTS usan una bomba de desplazamiento variable, un motor variable, o la combinación de los dos de manera que la velocidad, torque y potencia puedan ser regulado.

208



209





Las HTS ofrecen muchas ventajas importantes sobre otros tipos de transmisión de potencia, ahora bien, dependiendo de su configuración tenemos:  Transmiten gran potencia por in3 de desplazamiento, con una baja inercia.  Operan eficientemente sobre un amplio rango de relaciones TorqueVelocidad.  Mantiene la velocidad controlada (aun en reversa).  Mantiene la velocidad seleccionada aun con cargas acelerativas o de frenado  Pueden transmitir potencia desde un motor primario hacia múltiples locaciones.  Pueden permanecer detenidas sin daño alguno bajo carga plena.  Mantienen constantes las bajas velocidades.  Proporcionar una respuesta mecánica más rápida que las transmisiones mecánicas o las electromagnéticas de tamaña similar.  Pueden proporcionar frenado dinámico.  Protegen el sistema contra sobre cargas.  Ahorran válvulas.  Un aspecto importante es que se pueden controlar dese lejos.

210



Circuito Clásico de una HTS.

M

211



212



CAVITACIÓN EN EL MOTOR.  Un motor cavitará justo como una bomba, si el suministro de fluido a la entrada (mientras está girando) no es suficiente. Esto significa que siempre que el motor frene, su entrada NO debe bloquearse.  En un circuito con un motor unidireccional, este requerimiento se cumple al conectar la entrada del motor del tanque, a través de la posición central de la válvula direccional.

213



Cuando el motor se frena, cualquier presión menor a la atmosférica a la entrada del motor,

provocará

que

se

extraiga el fluido del tanque.

214



Un motor hidráulico que se utiliza en combinación con alguna bomba se denomina como Accionamiento Hidrostático. Este tipo de accionamiento puede ser de Lazo Abierto o Lazo Cerrado.

LAZO ABIERTO.

Limitadora de presión para frenar el motor

Esta reguladora de caudal se usa para variar las revoluciones Línea para evitar

del motor.

cavitación

Válvula antirretorno para mantener la presión a la salida

del

motor,

que

mantiene

unidas

positivamente a los pistones y a su superficie de rodadura.

 La entrada del motor se conecta a la salida de la bomba y la salida del motor se conecta al tanque.  La rotación del motor se detiene o invierte por medio de la válvula direccional.  La velocidad del motor depende del caudal que produce la bomba y el desplazamiento del motor.

215



LAZO CERRADO.

de

La precarga es la presurización positiva a la

desplazamiento variable puede

entrada de una bomba mediante el uso de otra.

invertir el flujo a través de sus

La capacidad de la bomba de precarga debe ser

puertos, la bomba de precarga

por lo menos 10% mayor que los requerimientos

debe ser protegida por una

a la entrada de la bomba principal y puede ser

válvula de retención.

conducida por el mismo eje de la bomba de

Si

la

bomba

principal

potencia, pero se prefiere accionarlas por El tamaña de la bomba de

separado para que así la unidad de precarga

precarga es determinado por el

pueda arrancar y estabilizar la presión antes de la

máximo caudal de drenaje.

rotación de la bomba principal.

 En el accionamiento hidrostático de lazo cerrado a la entrada del motor se conecta a la salida de la bomba, y a la salida del motor se conecta a la entrada de la bomba.  En este sistema se usa un depósito pequeño, ya que la mayor parte del fluido del sistema está contenido en la tubería del mismo.  La bomba de reabastecimiento repone cualquier fuga en el sistema.  Un aspecto importante es que los accionamientos hidrostáticos de lazo cerrado son compactos, ya que no se usan válvulas direccionales, ni reguladoras de caudal para invertir o controlar la velocidad de rotación del eje.

216



MOTORES HIDRAULICOS VS MOTORES ELECTRICOS. Los motores hidráulicos poseen ciertas ventajas respecto a los eléctricos, algunas de estas son: 1. 2. 3. 4.

Inversión instantánea del giro del motor. Atascamiento por periodos indefinidos sin dañar el motor. Control del par torsor mediante su velocidad de operación. El frenado dinámico se logra con facilidad.

Podemos hablar de dos tipos de HTS: integrales y no integrales.

DISPOSICIÓN INTEGRAL. Es la más común debido a que la potencia puede transmitirse a una o varias cargas en áreas que de otra manera serian difíciles de acceder.  En esta técnica, la bomba esta acoplada al motor primario, el motor oleohidráulico esta acoplado a la carga y ambos están conectados a través de una tubería o mangueras.

DISPOSICIÓN NO INTEGRAL.  `Posee la cualidad de que combina la bomba, el motor, ejes, superficies de montaje y todos los demás componentes de la HTS, en un solo paquete compacto y económico.  Para cualquier aplicación la HTS debe diseñarse como un acople optimo entre el motor primario y la carga. Esto le permite al motor primario operar a su velocidad más eficiente y le permite a la HTS hacer ajustes para la condición de operación. Qb=Qm Nb

Nm QPb

QNb

QPm

QNm

217



 Vamos a buscar Nm @ T

 En general para cualquier presión tenemos:

218



HTS: anticavitación y precarga.

4

4

6

Selectores

Bomba de Precarga.

La bomba cuando está centrada no envía nada. Si coloco los selectores al contrario solo se frena la operación.

TIPOS DE TRANSMISIONES HIDROSTÁTICAS.

Se clasifican en: 1. HTS a Velocidad CTE. 2. HTS a Torque CTE. 3. HTS a Potencia CTE.

219



HTS A VELOCIDAD CONSTANTE. BOMBA Y MOTOR DE DESPLAZAMIENTO FIJO.

220


P1

,

Pd , Qd

Ni , Ti

No


Velocidad

,

La presión es limitada por la válvula de seguridad.

Depende de las ɳv del Max Torque del Motor al ajuste de la Potencia de la

Torqu

Perdida

de

potencia

a

través

e;

de

la

válvula de alivio (área

Velocidad del Motor.

bajo

la

Max

Es la forma más sencilla de las HTS, aunque no es muy costosa, sus aplicaciones son limitadas debido a otras formas alternativas de transmisiones de potencia, que pudieran resultar más eficientes energéticamente. Ya que el desplazamiento de la bomba es fijo, esta debe ser adecuada para conducir el motor a la velocidad requerida bajo carga plena. Cuando la velocidad total NO es requerida (en el arranque), el fluido desde la salida de la bomba debe ser descargado a través de la válvula de alivio, esto genera un desperdicio de energía en forma de calor (área bajo la curva de potencia desperdiciada).  El Torque es CTE por que la presión del sistema alcanza el valor del taraje de la válvula de alivio inmediatamente después de que la válvula de control direccional cambia.  Esta transmisión presenta una baja eficiencia para velocidades de operación inferiores a la máxima.

221



 Esta tipo de transmisiones NO son recomendadas para aplicaciones en las cuales se requieren arranques y detenciones frecuentes, o cuando se presenten torques inferiores a la carga plena.  Por lo general estas transmisiones también son conocidas de velocidad CTE desde el punto de vista del control si sube la carga no varía puesto que no se tiene ningún control sobre este.

HTS A TORQUE CONSTANTE: CON BOMBA VARIABLE - MOTOR FIJO

 Torque CTE. Ni , Ti

N o , To

Tenemos un Torque CTE a cualquier velocidad, dado que este depende solamente de la presión del fluido y del desplazamiento del motor.

222



300

80

Potencia HP.

Eficiencia % y Torque [Lb*in]

100

Velocidad RPM.

1500

Potencia Transmitida Inicia

Cuando

la

bomba aumenta

el

desplazamien

su

to

desplazamiento

de

la

Bomba,

NO

Torque de Salida

se

obtiene

el

hay flujo NI

Máximo Torque

potencia

de

de

Arranque,

salida de la

porque el motor

HTS.

está siempre en

Presión del sistema

su

máximo

desplazamiento.

Velocidad RPM.

223



 Incrementando o disminuyendo el desplazamiento de la Bomba, aumenta o disminuye la velocidad del motor respectivamente, mientras el torque permanece aproximadamente CTE.  La potencia por tanto aumenta con el desplazamiento de la Bombas.  Mediante la variación del desplazamiento de las bombas se obtienen infinitas velocidades de salida neutral desde cero, hasta el máximo valor.  El máximo valor de velocidad está determinado por las capacidades nominales del motor y de la bomba, esta tipo de HTS se usa mucho en transporte de banda, trilladoras y laminadores. CURVA DE FUNCIONAMIENTO  A medida gana velocidad, pierde Presión si la carga tiene componente inercial.  Todo sistema inercial le pide el máximo Torque a la entrada, con el tiempo la misma inercia se va perdiendo.  Puedo colocar motores de alta velocidad pero debo tener un R/P.

HTS A POTENCIA CONSTANTE CON BOMBA FIJA - MOTOR VARIABLE.  Entrega de potencia CTE, cuando disminuye el desplazamiento del motor, se incrementa su velocidad por que el Torque disminuye, una combinación que mantiene la potencia CTE.

Ni , Ti

 Potencia CTE.

N0 , T0

Teóricamente, la máxima potencia

que una HTS puede transmitir es una función del caudal y de la presión. 224



Q

La mayor potencia CTE que se puede

transmitir

determinada

por

la

está menor

velocidad de salida a la que dicha potencia será transmitida.

Eficiencia

%

y

Eficiencia

Torque

Potencia

de

Potencia HP.

Torque

∆P

de

Velocidad

2

Potencia

1

Torque

3

Máximo/2

Velocidad

Máximo

225



 Si la mínima velocidad en el punto 1 de la curva de potencia, es la mitad de la máxima velocidad, la relación Torque-Velocidad es 2:1. La máxima potencia que puede ser transmitida es la mitad de la máxima teórica.  En el punto 2 correspondiente a la velocidad en el punto 1, la curva de torque cae mientras que la velocidad crece. En el punto de máxima velocidad, el torque cae hasta el punto 3.  A velocidades inferiores a la mitad de la máxima (punto 1), el torque permanece CTE en su máximo valor, pero la potencia decrece proporcionalmente con la velocidad. La velocidad del punto 1 es la velocidad crítica y está determinada por la dinámica de los componentes de la transmisión.  A partir de esta velocidad crítica se obtiene la potencia CTE.  Si el motor es del tipo con compensador, cualquier incremento en la carga origina una disminución proporcional de la velocidad.  El desplazamiento del motor puede ser variable, pero NO el de la bomba, la potencia es siempre proporcional a la presión.  A medida que se vence la inercia se vence el torque.

COMPORTAMIENTO HTS CON BOMBA VARIABLE – MOTOR VARIABLE.

Ni , Ti

N o , To

226



 Es la HTS más versátil.  Teóricamente, este arreglo provee infinitas relaciones de Torque-Velocidad. N,T Motor Variable: se usa para alcanzar altas velocidades a expensas de la carga. 𝑇 = 𝑇𝑗 + 𝑇𝐶𝑇𝐸

𝑁𝑚 =

𝑪𝒃 ∗ 𝑵𝒃 ∗ ɳ𝑣𝑏 ∗ ɳ𝑣𝑚 𝐶𝑚

B

Máxima Capacidad

A

Relación de Velocidad RPM.

Máximo

Entrada/Salida

227


D


Potencia

C

B

Punto

de

Máxima Torque

de

Salida

Presión Rango

Rango

del

sistema

A

Relación de Velocidad RPM.

Máx.

Entrada/Salida

228



 Cuando el desplazamiento de la bomba varía desde cero (punto A) hasta el máximo (punto B), con el motor en el desplazamiento máximo, el torque máximo de salida es el mismo obtenido con un motor de desplazamiento fijo de características similares y a la misma presión.  Entre el punto B y el punto C, la bomba permanece en el desplazamiento máximo y el motor se ajusta hasta un valor de desplazamiento mínimo determinado para proveer la máxima velocidad de salida.  La potencia de entrada alcanza el máximo valor en el punto D y permanece CTE hasta el punto de máxima velocidad (punto C).  El torque máximo de salida se reduce entre los puntos D y B por la limitación de potencia y posteriormente se reduce entre los puntos D y C.  La presión del sistema (ajuste de la válvula de alivio), cae entre los puntos D y B y luego permanece CTE hasta el punto C.

En teoría la velocidad del motor aumentaría infinitamente, pero dicha velocidad está limitada por las condiciones dinámicas, ósea que : 𝑁𝑚 =

Se

𝐶𝑏 ∗𝑁𝑏 𝐶𝑚

∆𝑃

− 𝑪 ∗ (ʎ𝑏 + ʎ𝑚 ) 𝒎

puede

reducir,

pero

nunca hasta llegar a cero tal como

lo

muestra

Nm/Nb

la

siguiente gráfica. Cm/Cb 229



 RANGO 1: el torque permanece CTE mientras el desplazamiento de la bomba, la potencia y la velocidad aumentan. Se tiene entonces una transmisión de Torque CTE.  RANGO 2: comienza cuando el desplazamiento de la bomba alcanza el máximo, mientras el del motor empieza a disminuir. El torque decrece, pero la velocidad aumenta, entonces es un sistema de potencia CTE. EJEMPLO: Datos:

230



Puedo considerar hacer una regla de 3, de manera que si tengo 981 RPM con 71,27 LPM y me piden 1000 RPM cuantos litros necesito.

Fase de Operación. Para buscar menos tamaño en la bomba. La bomba se escoge a la mitad de la velocidad, con esto comprobamos a ver si nos dan las 1000 RPM

231


DESPLAZAMIENTO BOMBA

MOTOR


RENDIMIENTOS DE LA TRANSMISIÓN POTENCIA

TORQUE

VELOCIDAD

Fija

Fijo

CTE

CTE

CTE

Variable

Fijo

Variable

CTE

Variable

Fija

Variable

CTE

Variable

Variable

Variable

Variable

Variable

Variable

Variable

APLICACIONES DE LAS HTS. Máximo torque en el arranque de un motor. Cuando se necesita arrancar una carga en un motor hidráulico, se recomienda usar el puerto de venteo en la válvula de frenad, de esta forma se obtiene el máximo torque disponible sobre el motor.

232



HTS CON MOTORES EN SERIE. La presión del sistema es proporcional al trabajo de la carga de cada motor, esto se debe a que la caída de presión en cada motor es aditiva. Ambos motores giran aproximadamente a la misma velocidad.

R

M

Flujo

HTS CON MOTORES EN PARALELO.

R

M

Flujo

 Los motores en paralelo aumenta el torque dado que tenemos 2 C m.  Se pueden usar en circuitos cerrados y circuitos de frenado. 233



HTS: CIRCUITO DE MOTORES BIDIRECCIONALES EN SERIE-PARALELO.

D

M

D 1

1

2

2

3

3

C Esta válvula es quien decide si es serie o paralelo.

Características del Circuito: 1. Bajo Torque y Alta Velocidad (circuito en serie); D1(1) y D2(2). 2. Alto Torque y Baja Velocidad (circuito en paralelo); D1(1) y D2(3). 3. Cuando D1(2) y D2(1), ambos motores se encuentra como rueda libre, la válvula de cheque C1 ofrece los requerimientos minimos de presión para el regreso sin cavitación. 4. Si los motores son de igual tamaño podemos decir que los motores en paralelo levantan el doble de carga que en serie pero lo hacen con la mitad de la velocidad en serie.

234



Recuerde que con motor fijo prácticamente es una transmisión con cargas con muy poca inercia. El motor variable es para cargas con alto contenido inercial.

235

APUNTES DE CLASES- Bombas y Motores 2016.pdf

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