Guía básica para el diseño de sistemas hidráulicos (1ª PARTE)

Principios hidráulicos

En un sistema hidráulico, la entrada de energía es el impulsor principal, y junto con las bombas hidráulicas no crean energía; simplemente la convierten a una forma que pueda ser utilizada por un sistema hidráulico.

La bomba es el corazón del sistema hidráulico. Cuando el sistema tiene un rendimiento inapropiado, la bomba es usualmente el primer componente que debe ser investigado. Muchas veces, la bomba es descrita en términos de sus limitaciones de presión. Sin embargo, la bomba hidráulica es un generador de caudal, que mueve un volumen de fluido desde una región de baja presión a una región de alta presión en una cantidad específica de tiempo de la velocidad de rotación.

Por lo tanto, la bomba se describe apropiadamente en términos de su desplazamiento o el caudal de salida que se espera de él.

Todas las bombas usadas en un sistema hidráulico son del tipo de desplazamiento positivo. Esto significa que hay una trayectoria de caudal intencionado desde la entrada a la salida. Por lo tanto, la bomba moverá fluido desde el puerto de entrada o succión al puerteo de salida a cualquier presión. Sin embargo, si esa presión está más allá de la capacidad de presión de la bomba, ocurrirá un fallo. La presión que existe en el puerto de salida de la bomba es una función de la carga en el sistema. Por lo tanto, los diseñadores del sistema hidráulico siempre colocarán un componente limitador de presión (válvula de alivio) en el puerto de salida de una bomba para prevenir fallos catastróficos de sobre presurización.

La mayoría de las bombas caen en una de tres categorías: bombas de paletas, bombas de engranaje  o bombas de pistón. La acción de la bomba hidráulica consiste en mover o transferir fluidos de un depósito, donde se mantienen a baja presión y, consecuentemente, en bajo estado de energía. Desde el depósito, la bomba mueve el fluido al sistema hidráulico donde la presión es mucho más alta, y el fluido está en un estado de energía mucho más alto debido al trabajo que se hace por el sistema hidráulico. La cantidad de energía o trabajo impartido al sistema hidráulico a través de la bomba es una función de la cantidad de volumen movido y la presión en el puerto de descarga de la bomba:

Desde el punto de vista de la ingeniería, es común relacionar energía como fuerza por distancia.

Sin embargo, la presión hidráulica es la fuerza dividido entre el área, y el volumen es área por distancia:

A partir de estas relaciones mostramos que la presión por el volumen es equivalente a la fuerza por la distancia.

La bomba hidráulica es actualmente un componente de tres conexiones. Una conexión está en el puerto de descarga (salida), el segundo está en el puerto de succión (entrada), y la tercera conexión es a un motor. Desde este punto de vista, la bomba es un transformador. Toma el fluido del depósito, usa la energía del motor, y transforma el fluido desde un nivel de baja presión a un nivel de alta presión. En realidad, el fluido hidráulico es actualmente un componente principal del sistema hidráulico y tiene una mayor influencia en la operación del sistema. Las bombas hidráulicas son impulsadas comúnmente a velocidades entre 1200 rpm y 3600 rpm o superiores y presiones máximas pueden variar desde <1000 psi a 6000 psi.

Además de la presión, hay también una limitación de temperatura impuesta por el fluido hidráulico. Ésta es causada por la disminución en la viscosidad cuando la temperatura del fluido se incrementa. Generalmente, los fabricantes de bombas establecen límites de viscosidad superior e inferior en los fluidos hidráulicos usados en sus bombas. El límite de viscosidad superior determina la temperatura mínima para arrancar la bomba y prevenir la cavitación. La cavitación ocurre cuando  hay insuficiente caudal de fluido en la entrada de la bomba. Durante la cavitación, el fluido libera gases disueltos o líquidos volátiles. Las burbujas gaseosas producidas se desplazarán a la región de alta presión de la bomba donde colapsarán bajo la alta presión y pueden causar severos daños a la bomba. También, el sobrecalentamiento de los rodamientos de la bomba puede dar como resultado un enfriamiento insuficiente como resultado de un caudal inadecuado.

El límite de viscosidad inferior establecerá el límite de temperatura superior del fluido. Si se excede el límite de temperatura superior, la viscosidad será insuficiente para llevar cargas de operación altas a la bomba y, así, el fallo de lubricación dará como resultado un acortamiento en la vida de la bomba y/o un fallo catastrófico.

El índice de viscosidad es una medida del cambio de viscosidad o resistencia a fluir de un líquido cuando la temperatura cambia. Un índice de viscosidad más alto produce un cambio de viscosidad más pequeño con la temperatura que un fluido con un índice de viscosidad más bajo.

Par y presión

Los parámetros de entrada a la bomba hidráulica desde el impulsor principal son velocidad y par. El par de entrada a la bomba es proporcional al diferencial de presión entre el puerto de entrada y el de descarga:

El par requerido para hacer funcionar una bomba de desplazamiento positivo a presión constante es:

Donde T_a es el par actual requerido, T_t es par teórico debido al diferencial de presión y dimensiones físicas de la bomba, Tv es el par resultante del cizallamiento viscoso del fluido, T_f es el par resultante de la fricción interna, y T_c es el par de fricción constante independiente tanto de la presión como de la velocidad.

Sustituyendo los parámetros operacionales y dimensionales (usando unidades apropiadas) obtenemos la siguiente expresión:

Donde P₁ es la presión en el puerto de descarga, P2 es la presión en el puerto de entrada, D_p es el desplazamiento de la bomba, C_v es el coeficiente de cizallamiento viscoso, 𝛍 es la viscosidad del fluido, N es la velocidad de rotación en el eje de la bomba, C_f es el coeficiente de fricción mecánica, y Tb el par de ruptura.

Los valores de los parámetros tales como coeficiente de cizallamiento viscoso, coeficiente de fricción mecánica y par de ruptura  se determinan experimentalmente. De la ecuación anterior, el par requerido para impulsar la bomba es principalmente una función de la caída de presión a través de la bomba (P₁ – P₂) y el desplazamiento (Dp) de la bomba.

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