Guía básica para diseño de sistemas hidráulicos (4ª PARTE)

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Dimensionado y selección de bombas

El dimensionado de la bomba del sistema actualmente comienza con la carga. La especificación de un sistema hidráulico solamente trata con el movimiento de la carga. De aquí, el primer parámetro para dimensionar una bomba es determinar el caudal requerido. Luego, como mostramos anteriormente, debe considerarse la capacidad de presión de la bomba. La presión necesaria para tratar con la carga viene determinada por el dimensionado del cilindro. Entonces, sólo es necesario añadir las pérdidas del sistema a la presión para alcanzar la capacidad de presión de la bomba.

Una vez el tamaño y capacidad de presión de la bomba se conocen, debe seleccionarse el tipo de bomba y el fabricante. Hay básicamente tres tipos de bombas. El criterio principal que jugará un papel destacable en la selección de la bomba es el tipo de control usado. En un sistema de centro abierto, cuya presión no es extremadamente alta, puede usarse cualquiera de los tres tipos de bomba.

Circuito en bucle abierto

El circuito en bucle abierto es con mucho el diseño más popular. Un ejemplo de un circuito en bucle abierto puede tener un motor eléctrico que impulsa una bomba de desplazamiento variable que extrae el fluido hidráulico de un depósito y empuja el fluido a través de una válvula de control direccional. El fluido de la válvula de control puede ser dirigido a través de una válvula de control direccional. El fluido de la válvula de control puede ser dirigido a un lado de un motor hidráulico reversible y luego enviado de vuelta al depósito. Las bombas usada en aplicaciones de bucle cerrado pueden solamente bombear el fluido en una dirección. En contraste al motor hidráulico reversible, el puerto de la bomba no tiene el mismo tamaño – el puerto de entrada siempre es más grande que el puerto de salida. La ventaja de un diseño en bucle abierto es que, si es necesario, puede usarse una bomba simple para opera varias funciones de actuador diferentes simultáneamente. La principal ventaja es el gran tamaño del depósito. Generalmente, el depósito es dimensionado para mantener al menos tres veces el volumen del fluido que puede ser suministrado por la bomba en un minuto.

Circuito en bucle cerrado

En contraste al diseño en bucle abierto, el circuito cerrado elimina la necesidad de un gran depósito de almacenamiento. Puede usarse una bomba reversible para accionar el motor hidráulico reversible. El diseño en bucle cerrado siempre se usa en conjunción con un circuito de supercarga más pequeño. El circuito de supercarga consiste en una bomba de desplazamiento fijo pequeña (usualmente alrededor del 15 % del desplazamiento de la bomba principal), un depósito de fluido pequeño, filtros y un intercambiador de calor.

El circuito de supercarga siempre trabaja en el lado de baja presión del bucle principal. Su función es bombear el fluido filtrado en un bucle cerrado mediante válvulas de control mientras se sangra un porcentaje de fluido caliente a través de una válvula de control. Este fluido caliente se enfría en un intercambiador de calor y se almacena en un depósito antes de volver al sistema principal. La presión el circuido de supercarga se limita a 100 – 300 psi por la válvula de alivio de supercarga. La configuración de presión de esta válvula está determinada por los requerimientos de la combinación bomba/motor y las condiciones de operación del sistema.

Las ventajas de un circuito en bucle cerrado son que los sistemas de alta potencia son compactos y eficientes y requieren menos almacenamiento del fluido hidráulico. La alta eficiencia de este circuito es el resultado del control de la bomba que se está diseñando para suministrar sólo el caudal del fluido requerido por el actuador para operar en la presión de carga inducida. La bomba es el corazón del sistema y controla la dirección, aceleración, velocidad y par del motor hidráulico, eliminando la necesidad de componentes de presión y control del flujo.

Una desventaja principal de un circuito de bucle cerrado es que una bomba simple puede sólo operar una función de salida o actuador simple. Adicionalmente, este tipo de circuito de control hidráulico se usa generalmente sólo con actuadores de motores.

Circuito de bucle medio cerrado

Este circuito es similar al circuito cerrado excepto que puede ser usado con actuadores de cilindros teniendo áreas diferenciales. Durante la retracción, el área diferencial del pistón del cilindro origina un caudal mayor que el necesario en la entrada de la bomba. Este exceso de caudal está dirigido al depósito mediante una válvula de descarga. El fluido descargado es filtrado y enfriado antes de su retorno al depósito. De esta forma, una porción del fluido en bucle cerrado es filtrado y enfriado en un circuito en bucle abierto cada vez que el cilindro hace un ciclo.

Características del rendimiento de la bomba

El rendimiento de la bomba es extremadamente importante para el éxito total de cualquier sistema hidráulico. Una bomba muestra pérdidas de tipo mecánico además de pérdidas volumétricas. Las pérdidas mecánicas son el resultado del movimiento del elemento de trabajo dentro de la bomba debido a la fricción. El par teórico requerido para impulsar la bomba es igual al producto del desplazamiento de la bomba y el diferencial de presión a través de la bomba. Obviamente, el par actual es mayor que su valor teórico en orden de compensar las pérdidas mecánicas dentro de la bomba. La eficiencia mecánica es el ratio del par teórico respecto al par actual.

La efectividad de una bomba para convertir energía mecánica de entrada en energía hidráulica de salida debe ser medida por ensayos. Teóricamente, a bajas presiones, el caudal de salida de una bomba de desplazamiento positivo es igual al producto del desplazamiento y a la velocidad rotacional del eje según:

Conforme se incrementa la presión diferencial en la bomba, el caudal a través de las holguras o trayectorias de pérdidas dentro de la bomba se incrementarán para crear caudal de deslizamiento, que será sustraído del caudal de la bomba. Por lo tanto, la eficiencia de la bomba es el ratio del caudal actual respecto al flujo teórico; este parámetro refleja la magnitud de las pérdidas volumétricas.

La eficiencia total es igual a la eficiencia volumétrica multiplicada por la eficiencia mecánica. Para seleccionar apropiadamente una bomba hidráulica para una aplicación dada, la información sobre eficiencia es extremadamente importante. Estos datos se obtienen por el fabricante de la bomba. 

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