Ver 2ª PARTE
Bombas y motores hidráulicos
Hay tres
tipos de bombas que se usan predominantemente en los sistemas hidráulicos:
bombas de paletas, bombas de engranajes y bombas de pistón.
Aunque hay
muchos parámetros de diseño que difieren entre una bomba y un motor hidráulico,
la descripción general es fundamentalmente la misma, pero sus usos son bastante
diferentes. Una bomba se usa para convertir energía mecánica en energía
hidráulica. La entrada mecánica se lleva a cabo mediante un motor eléctrico o
motor diesel o gasolina. El caudal hidráulico de la salida de la bomba se usa
para impulsar un circuito hidráulico. Por otra parte, un motor hidráulico se
usa para convertir energía hidráulica en energía mecánica. Esto se lleva a cabo
conectando el eje de salida del motor hidráulico a un actuador mecánico, tal
como una caja de engranaje, polea o volante de inercia.
Bombas de paletas
La bomba de
paletas depende de un montaje de paletas deslizantes en un aro que incrementan
o decrecen el volumen de la cámara de bombeo dentro de la bomba. Los lados de
las bombas y el rotor están sellados por bujes laterales. Aunque hay bombas de
paletas de alta presión (>2500 psi), estas bombas son normalmente bombas de
baja presión.
Hay dos
diseños de bombas de paletas. Uno es un diseño equilibrado, mientras que otro
es desequilibrado. En un diseño equilibrado, hay parejas opuestas de puertos de
entrada y salida internos que contribuyen a la fuerza de impulsión uniforme
alrededor del eje. Todas las bombas de paleta modernas son de diseño
equilibrado. La bomba de paletas se considera una de las bombas más simples de
todas las bombas de desplazamiento positivo y pueden estar diseñadas para
producir desplazamiento variable; es decir, el flujo de salida puede cambiarse
para adaptarse a las necesidades del sistema hidráulico. La pérdida de fluido
en las bombas de paletas ocurre entre los lados de alta y baja presión de las
paletas y a través de los bujes laterales que dan como resultado una disminución
en la eficiencia volumétrica y, de aquí, salida de flujo reducido. El diseño
desequilibrado sufre una vida de los rodamientos corta debido a la fuerza de
impulso desequilibrada dentro de la bomba.
Bombas de engranaje
Está
generalmente reconocido que las bombas de engranaje son el tipo más robusto de
las bombas para impulsar fluidos. Aunque hay muchos tipos de bombas de
engranaje, hay tres que se usan predominantemente para servicios hidráulicos.
Una es la bomba de engranajes externa y las otras dos son bombas de engranaje
internas.
Bombas de pistón
La bomba de
pistón opera a la presión más alta de todas las bombas normalmente encontradas
en las aplicaciones hidráulicas. La bomba de pistón se fabrica en
configuraciones axial, eje partido y radial. Adicionalmente hay configuraciones
bent-axis de desplazamiento variable. La configuración de diseño axial
predomina en los sistemas hidráulicos y será la base de la siguiente discusión.
Los
principales componentes de una bomba de pistón son los pistones, el bloque de
pistón o cilindro, la placa de válvula, zapatas de pistón, placa inclinada, y
eje de impulsión. Durante la operación, el eje acciona el bloque de pistón, que
hace rotar los pistones. La dependencia del desplazamiento de la bomba (V) en
el ángulo α de placa
inclinada viene dado por la siguiente ecuación:
Donde V es el desplazamiento de la bomba (in3), dk es el diámetro del pistón (in.), Dk es el diámetro del círculo del pistón (in), y α es el ángulo de la placa inclinada (en grados).
Para un
diseño de eje partido de una bomba de pistón axial, el desplazamiento de la
bomba (V) viene descrito por el ángulo α
del eje partido de acuerdo con la siguiente ecuación:
Donde
rh es el radio del círculo del bore del pistón y z es el número de pistones.
El
tercer tipo de bomba de pistón es el diseño radial. En general, la bomba de
pistón radial tiene una capacidad de presión continua más alta que ningún otro
tipo de bomba. Los pistones se posicionan radialmente a un eje de transmisión
excéntrico. Cada uno de los pistones huecos consiste en una válvula de control
de entrada, un resorte, un tambor de pistón, una cámara de bombeo, una bola de
control de salida, y un rodamiento de soporte. Cuando el eje de transmisión
rota, el resorte mantiene la base del pistón en contacto con el cigüeñal
excéntrico. El movimiento hacia abajo del pistón origina que el volumen se
incremente en la cámara de bombeo. Esto crea una presión reducida que permite
abrirse a la válvula de control, permitiendo que el aceite entre en la cámara
de bombeo. El aceite entra en la cámara por medio de unas ranuras mecanizadas
en la circunferencia del cam-shaft. La elevación rápida de la presión de la
cámara cierra la válvula de control de entrada. Cuando la presión se eleva
hasta igualar la presión del sistema, se abre la válvula de control de salida,
permitiendo que el caudal salga del pistón al puerto de presión de la bomba. El
caudal resultante es la suma de todos los desplazamientos del pistón. El número
de pistones que puede tener una bomba radial sólo es limitado por las
restricciones espaciales impuestas por el tamaño de los pistones, cubiertas y árbol de levas.
Para
una bomba de pistón radial, el desplazamiento de la bomba (V) viene definido
por el bore del pistón (dk) y el cam thrust (e) de acuerdo con la
siguiente ecuación:
Donde
e, el cam trust, viene medido en pulgadas.
Aplicaciones
típicas de las bombas radiales incluyen gato cilíndrico, engaste y el
mantenimiento de presión en prensas hidráulicas. Sin embargo, se notará que
para aplicaciones de presiones extremadamente altas, el desplazamiento de las
bombas radiales no es usualmente mayor que 0,5 in3/rev; por ejemplo,
a 1800 rpm, una bomba de desplazamiento de 0,5 in3/rev solamente transmitirá ∽ 3.9 gpm. Asumiendo una
eficiencia del 93 % a una presión de 10.000 psi, la bomba requerirá un motor
eléctrico de 24 hp.
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