DETERMINACIÓN DE LA POTENCIA Y RENDIMIENTO EN MOTORES NEUMÁTICOS E HIDRÁULICOS Motores Hidráulicos
Un motor hidráulico es un actuador mecánico que convierte presión hidráulica y flujo en un par de torsión y un desplazamiento angular, es decir, en una rotación o giro. Su funcionamiento es pues inverso al de las bombas hidráulicas y es el equivalente rotatorio del cilindro hidráulico. Se emplean sobre todo porque entregan un par muy grande a velocidades de giro pequeñas en comparación con los motores eléctricos Tipos de motores hidráulicos Motores de engranajes:
Son de tamaño reducido y pueden girar en los dos sentidos, pero el par es pequeño, son ruidosos, pueden trabajar a altas velocidades pero de forma análoga a los motores de paletas, su rendimiento cae a bajas velocidades.
Motores de paletas:
Tienen la misma estructura que las bombas de paletas, pero el movimiento radial de las paletas debe ser forzado, mientras que en las bombas se debe a la fuerza centrífuga.
Motores de pistones:
Son los más empleados de todos ya que se consiguen las mayores potencias trabajando a altas presiones. En función de la posición de los pistones con respecto al eje podemos encontrar: Motores de pistones axiales: Los pistones van dispuestos en la dirección del eje
del motor. El líquido entra por la base del pistón y lo obliga desplazarse hacia fuera. Como la cabeza del pistón tiene forma de rodillo y apoya sobre una superfice inclinada, la fuerza que ejerce sobre ella se descompone según la dirección normal y según la dirección tangencial a la superficie. Esta última componente la obligará a girar, y con ella solidariamente, el eje sobre la que va montada. Variando la inclinación de la placa o el basculamiento entre el eje de entrada y salida se puede variar la cilindrada y con ella el par y la potencia. 1
Motor de pistones radiales:
Los pistones van dispuestos perpendicularmente al eje del motor. El principio de funcionamiento es análogo al de los axiales pero aquí el par se consigue debido a la excentricidad, que hace que la componente transversal de la fuerza que el pistón ejerce sobre la carcasa sea distinta en dos posiciones diametralmente opuestas, dando lugar a una resultante no nula que origina el par de giro.
Usos:
Los motores Hidráulicos se usan para variadas aplicaciones como en la transmision de tornos y grúas, motores de ruedas para vehículos militares, tornos autopropulsados, propulsión de mezcladoras y agitadoras, laminadoras, trituradoras para coches, torres de perforación y zanjadoras. También en los últimos años se usan en atracciones para alcanzar grandes velocidades en poco tiempo. CALCULO DE LA POTENCIA DE LOS MOTORES HIDRÁULICOS
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La potencia (P) de una bomba hidráulica es la relación entre la energía de flujo proporcionada por la bomba y el tiempo que la misma ha estado en funcionamiento para comunicar dicha energía. Normalmente esta magnitud se suele expresar como el producto de la presión del fluido por su caudal: Determinación de la potencia: La potencia de un sistema hidráulico puede obtenerse de distintas maneras ya que depende de su aplicación puede ser una aplicación para uso industrial, habitacional de riego etc. Las variables que permiten calcular cuales han de ser las características del motor son: - Par. Par de rotación generado por el motor para convertir la potencia del motor en fuerza mecánica por medio de la rotación del eje. - Desplazamiento. Caudal del fluido necesario para alcanzar una determinada velocidad de rotación. - Presión de operación. Presión a la que trabaja el motor. - Velocidad de operación. Velocidad a la que giran los componentes del motor. - Temperatura de operación. Temperatura a la cual el motor trabaja en forma segura y eficiente. - Viscosidad del fluido. Viscosidad del fluido de trabajo utilizado en el motor. El volumen del fluido que es bombeado en cada revolución viene calculado por la geometría de las cámaras que transportan el aceite. Una bomba nunca desarrolla el volumen calculado o teórico del fluido. De modo que se usa un factor llamado rendimiento volumétrico que es la relación entre el caudal calculado con relación al real. Este rendimiento varía con la velocidad, la presión y la forma de construcción de la bomba. Asimismo, el rendimiento mecánico tampoco es del 100% debido básicamente a la energía gastada en los rozamientos. De modo que se considera que el rendimiento global de una bomba hidráulica es el producto de su rendimiento volumétrico y el rendimiento mecánico. Formulas:
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Motores Neumáticos
Los motores neumáticos realizan la función de transformar la energía neumática en energía mecánica de rotación. El proceso se desarrolla de forma inversa al de la compresión. Sus principales características pueden resumirse en las siguientes: -Son ligeros y compactos. -El arranque y paro es muy rápido, pueden trabajar con velocidad y variables sin necesidad de un control complejo. -Baja inercia. En neumática se emplean principalmente motores de paletas, también se utilizan, aunque con menos frecuencia, los motores de pistones. Motores de paletas
Son muy simples y su utilización está muy extendida. Estos motores son de construcción análoga a la de los compresores de paletas. El rotar está igualmente montado excéntricamente en el cuerpo del motor. El par de giro sobre la carga se desarrolla cuando el aire a presión actúa sobre la sección libre de las paletas y las empuja haciendo girar el rotor. Cuando la cámara, entre paletas, con el aire comprimido alcanza la abertura de salida, se produce la correspondiente expansión a la atmósfera. Los motores de paletas se construyen para potencias comprendidas entre 0,1 Y 20 CV. Es frecuente la utilización de estos motores acoplados con un reductor, lo que permite multiplicar el par y que el motor pueda trabajar a velocidades elevadas, con lo que se consigue un mejor control de la velocidad frente a variaciones de las cargas. El número de revoluciones de marcha en vacío se halla entre 1000 Y 50000 rpm. La regulación del número de revoluciones se efectúa ajustando el caudal de alimentación. Los motores de paletas, además de su utilización como elemento motriz puro, se emplean también en herramientas neumáticas tales como taladradoras, atornilladores y esmeriladoras. Estos motores tienen un rotor montado excéntricamente en un cilindro, con paletas longitudinales alojadas en ranuras a lo largo del rotor. El par se origina cuando el aire a presión actúa sobre las paletas. El número de paletas suele ser de 4 a 8. Normalmente cuatro o cinco paletas son suficientes para la 4
mayoría de las aplicaciones. Se utilizan mayor número de paletas cuando se necesita mejorar la fiabilidad de la máquina y su par de arranque. Los motores de paletas giran desde 3000 a 25000 R.P.M.,en vacío. Como norma general, los motores deben trabajar con una precarga para evitar que giren a velocidades altas. Al girar en vacío el motor, el número de veces que las paletas rozan sobre el cilindro es casi doble que en carga. Esto supone un desgaste innecesario de las paletas y de la pared del cilindro sobre la que deslizan. La vida de las paletas se prolongará a varios cientos de horas trabajando el motor a velocidades moderadas y metiendo aire al motor debidamente limpio y lubricado con aceite en suspensión. Los motores de paletas giran a velocidades más altas y desarrollan mas potencia en relación con su peso que los motores de pistones, sin embargo tienen un par de arranque menos efectivo. Los motores de paletas son más ligeros y más baratos que los motores de pistones de potencia similar. Son los motores de uso más frecuente.
Motores de pistones
Según sea la disposición de los pistones, pueden ser de tipo radia! o axial. Su comportamiento es similar, caracterizándose los de pistones axiales por un par elevado y rápido en el arranque. Su empleo se limita principalmente a las máquinas de grandes potencias. Trabajan a velocidades inferiores a las de los motores de paletas. Una característica importante es el bajo nivel de vibración a cualquier velocidad, siendo esto muy interesante a bajas velocidades en las que, además se obtiene el par máximo.
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Motor de Aletas
Es relativamente simple y su utilización está muy extendida. Un motor neumático de aletas consiste en varias aletas, montadas en unas hendiduras distribuidas regularmente sobre un rotor cilíndrico. Este rotor se halla colocado de forma excéntrica en el cuerpo del motor. El movimiento de giro se desarrolla cuando el aire comprimido entra en la cámara de admisión y empuja la aleta correspondiente haciendo girar al rotor.
Motor de Pistones Radiales
Su principio constructivo es similar al de los compresores de émbolo, pero lógicamente, el sentido de funcionamiento es el inverso. Trabaja a velocidades inferiores a las de los motores de aletas debido al mayor peso de sus elementos. Tiene bajo nivel de vibraciones.
Motores de engranaje.
Como se puede observar, el motor esta compuesto de dos engranajes, uno de ellos esta conectado con el eje del motor, y el otro, transmite movimiento al otro engranaje. Este tipo de motor es de bajo rendimiento, porque consume más energía que la que transmite. Pero, es capaz de dar 60 cv de potencia. 6
Turbomotores
Pueden utilizarse únicamente para potencias pequeñas, pero su velocidad es muy alta (tornos neumáticos del dentista de hasta 500.000 rpm ) . Su principio de funcionamiento es inverso al de los turbo compresores.
SELECCIÓN DEL MOTOR NEUMÁTICO Para calcular un motor de aire se precisan dos datos de los tres siguientes: 1- Potencia requerida 2- Velocidad en RPM necesaria para arrastrar la carga determinada 3- Par de trabajo expresado en Newton metro [Nm] Asimismo, deben considerarse los siguientes factores: 1- Presión del aire en bar (o psig). Como la presión del sistema de alimentación de aire puede variar durante el día debido a consumos intermitentes de otros puntos, los cálculos deben hacerse con la presión más baja prevista y asegurar la alimentación del motor con un regulador de presión, cuya presión de salida es la presión que se tomara. 7
2- Alimentación de aire suficiente para el motor, es decir, mínima pérdida de carga en la tubería de alimentación. La potencia requerida viene determinada por la fórmula:
Una vez calculada la potencia, se consultan las curvas de rendimiento de cada motor y se selecciona el motor cuya potencia de salida esta próxima al punto de trabajo.
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