Guía básicas para el diseño de sistemas hidráulicos (3ª PARTE)

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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), d_k es el diámetro del pistón (in.), D_k 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 (d_k) 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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