HIDRULICACONCEPTOS BSICOS Y APLICACIONES
1. INTRODUCCIN 1.1. Definiciones
FLUIDO. El fluido es un elemento en estado lquido o gaseoso. En
los sistemas hidrulicos se utilizan aceites derivados del petrleo.
SISTEMA DE TRANSMISIN DE ENERGIA. El sistema de transmisin de
energa neumtica e hidrulica es un sistema en la cual se genera,
transmite y controla la aplicacin de potencia a travs del aire
comprimido y la circulacin de aceite en un circuito. El sistema
puede dividirse en tres grandes grupos que observamos en el
diagrama de bloques de la siguiente figura:
Comenzando desde la izquierda de] diagrama, la primera seccin
corresponde a la conversin de energa elctrica y/o mecnica en un
sistema de energa neumtica ylo hidrulica. Un motor elctrico, de
explosin o de otra naturaleza est vinculado a una bomba o
compresor, a cuya salida se obtiene un cierto caudal a una
determinada presin. En la parte central del diagrama, el fluido es
conducido a travs de tubera al lugar de utilizacin. A la derecha en
el diagrama, el aire comprimido o el aceite en movimiento produce
una reconversin en energa mecnica mediante su accin sobre un
cilindro o un motor neumtico o hidrulico. Con las vlvulas se
controla la direccin del movimiento, la velocidad y el nivel de
potencia a la salida del motor o cilindro. LEYES FSICAS RELATIVAS A
LOS FLUIDOS. Hay infinidad de leyes fsicas relativas al
comportamiento de los fluidos, muchas de ellas son utilizadas con
propsitos cientficos o de experimentacin, nosotros nos limitaremos
a estudiar aquellas que tienen aplicacin prctica en nuestro
trabajo.
LEY DE PASCAL. La ley ms elemental de la fsica referida a la
hidrulica y neumtica fue descubierta y formulada por Blas Pascal en
1653 y denominada Ley de Pascal, que dice la presin existente en un
lquido confinado acta igualmente en todas las direcciones, y lo
hace formando ngulos rectos con la superficie del recipiente. La
siguiente figura ilustra la ley, el fluido confinado en la seccin
de una tubera ejerce igual fuerza en todas las direcciones, y
perpendicularmente a las La figura 1-2 ilustra la Ley de Pascal. El
fluido confinado en la seccin de una tubera ejerce igual fuerza en
todas direcciones, y perpendicularmente a las paredes.
En la figura de la derecha se muestra la seccin transversal de
un recipiente de forma irregular, que tiene paredes rgidas. El
fluido confinado en el ejerce la misma presin en todas las
direcciones, tal como lo indican las flechas. Si las paredes fueran
flexibles, la seccin asumira forma circular. Es entonces la Ley de
Pascal que hace que una manguera contra incendios asuma forma
cilndrica cuando es conectada al suministro. LEY DE BOYLE. La
relacin bsica entre la presin de un gas y su volumen est dada en la
Ley de Boyle, la que establece que la presin absoluta de un gas
confinado en un recipiente vara en forma inversa a su volumen,
cuando la temperatura permanece constante. Para la resolucin de
problemas, la Ley de Boyle se escribe de la siguiente forma:
En estas formulas, P1 y V1 son la presin y volumen inicial de un
gas, y P2 y V2 la presin y volumen despus de que el gas haya sido
comprimido o expandido. Importante. Para aplicar esta formula es
necesario emplear valores de presin "absoluta" y no manomtrica.
La presin absoluta es la presin que ejerce el aire atmosfrico
que es igual a 1,033 Kp /cm = 1 atmsfera (kilogramo fuerza por
centmetro cuadrado).
Las tres figuras ejemplifican la ley de Boyle en la siguiente
situacin: (a) El pistn est en una posicin que asegura 40 cm de gas
contenido en un recipiente cerrado a una presin P. (b) El pistn se
ha movido reduciendo el volumen a 20 cm, provocando un incremento
de la presin 2P. (c) El pistn a comprimido el gas a 10 cm,
provocando un incremento de cuatro veces la presin original 4P.
Existe entonces una relacin inversamente proporcional entre el
volumen y la presin de un gas siempre que la temperatura se
mantenga constante, y que las lecturas de presin sean "absolutas"
es decir referidas al vaco perfecto. La Ley de Boyle, describe el
comportamiento de un gas llamado "perfecto". El aire comprimido se
comporta en forma similar a la ley de un gas perfecto a presiones
menores de 70 Kg/cm y los clculos empleando la Ley de Boyle ofrecen
resultados aceptables. No ocurre lo mismo con ciertos gases,
particularmente de la familia de los hidrocarburos como el propano
y etileno. PROBLEMA. Se parte de una situacin donde 40 cm de gas
est confinado a una presin manomtrica de 3 Kg/cm, caso (a) de la
siguiente figura. Cul ser la presin final luego de que el gas haya
sido comprimido a un volumen cuatro veces menor?
SOLUCIN. Primero convertiremos la presin manomtrica en presin
absoluta:
A continuacin aplicaremos la ley de Boyle, entonces, si el
volumen se redujo a en un cuarto, la presin se habr multiplicado
por cuatro, es decir:
Finalmente convertiremos esta lectura absoluta en
manomtrica:
Si la temperatura de un gas incrementa su volumen, lo hace en la
misma proporcin, permaneciendo a presin constante, o si la
temperatura del gas se incrementa, se incrementa tambin su presin
en la misma proporcin, cuando permanece el volumen constante Para
la solucin de problemas deben emplearse valores de presin y
temperatura "absolutos". EL EFECTO DE LA TEMPERATURA EN LOS
FLUIDOS. Es bien conocido el efecto de expansin de lquidos y gases
por aumento de la temperatura. La relacin entre la temperatura,
volumen y presin de un gas podemos calcularla por la Ley de
Charles. La expansin del aceite hidrulico en un recipiente cerrado
es un problema en ciertas condiciones por ejemplo un cilindro
hidrulico lleno de aceite en una de sus cmaras y desconectado
mediante acoplamientos rpidos de la lnea de alimentacin, no
presenta lugar para una expansin cuando es expuesto al calor. La
presin interna puede alcanzar valores de 350 Kg/cm y an 1.400 Kg/cm
dependiendo del incremento de temperatura y caractersticas del
cilindro. COMPRESIBILIDAD DE LOS FLUIDOS. Todos los materiales en
estado gaseoso, lquido o slido son compresibles en mayor o menor
grado. Para las aplicaciones hidrulicas usuales el aceite hidrulico
es considerado incompresible, si bien cuando una fuerza es aplicada
la reduccin de volumen ser de 1/2 % por cada 70 Kg/cm de presin
interna en el seno del fluido. De la misma forma que los diseadores
de estructuras deben tener en cuenta el comportamiento del acero a
la compresin y elongacin, el diseado hidrulico en muchas instancias
debe tener en cuenta la compresibilidad de los lquidos, podemos
citar como ejemplo, la rigidez en un servomecanismo, o el calculo
del volumen de descompresin de una prensa hidrulica para prevenir
el golpe de ariete.
TRANSMISIN DE POTENCIA. En la figura siguiente se muestra el
principio en el que est basada la transmisin de potencia en los
sistemas neumticos e hidrulicos. Una fuerza mecnica, trabajo o
potencia se aplica en el pistn A, la presin interna desarrollada en
el fluido ejerce una fuerza de empuje en el pistn B.
Segn la ley de Pascal la presin desarrollada en el fluido es
igual en todos los puntos por la que la fuerza desarrollada en el
pistn B es igual a la fuerza ejercida en el fluido por el pistn A,
asumiendo que los dimetros de A y B son iguales. TRANSMISIN DE
POTENCIA A TRAVS DE UNA TUBERA. El largo del cilindro anterior
puede ser dividido en dos cilindros individuales del mismo dimetro
y colocados a distancia uno de otro, conectados entre s por una
caera. El mismo principio de transmisin de fuerza puede ser
aplicado, y la fuerza desarrollada en el pistn B, ser igual a la
fuerza ejercida por el pistn A.
La ley de Pascal no requiere que los dos pistones de la figura
sean iguales. La siguiente figura ilustra la versatilidad de los
sistemas hidrulicos y/o neumticos al poder ubicarse los componentes
aislantes no de otro, y transmitir las fuerzas en forma inmediata a
travs de distancias considerables con escasas prdidas. Las
transmisiones pueden llevarse a cualquier posicin. An doblando
esquinas, pueden transmitirse a travs de tuberas relativamente
pequeas con pocas prdidas de potencia.
La distancia L que separa la generacin, pistn A, del punto de
utilizacin pistn B, es usualmente de 1,5 a 6 metros en los sistemas
hidrulicos, y de 30 a 60 metros en aire comprimido. Distancias
mayores son superadas con sistemas especialmente diseados. PRESIN
HIDRULICA. La presin hidrulica es la presin ejercida por un fluido,
se mide en unidades de presin, generalmente se usan las siguientes
unidades: La libra por pulgada cuadrada = PSI El Kilogramo por
centmetro cuadrado = Kg/cm El Kilogramo fuerza por centmetro
cuadrado = Kp/cm El bar = bar
Existiendo, aproximadamente la siguiente relacin: Kg /cm ~ Kp/cm
~ bar En la figura siguiente (a) se muestra que la fuerza total
aplicada al vstago de un pistn se distribuye sobre toda la
superficie de este. Por ello para encontrar la presin que se
desarrollar en el seno de un fluido deberemos dividir el empuje
total por la superficie del pistn. Mientras que en la figura (b),
una fuerza de 2200 kilogramos ejercida en el extremo del vstago se
distribuye sobre 200 cm2, por lo que la fuerza por cm2, ser de 10
kilogramos, esto es lo que indica el manmetro.
Este principio tiene carcter reversible, en la figura siguiente
la presin interna del fluido actuando sobre el rea del pistn
produce una fuerza de empuje en el extremo del vstago. La presin
interna indicada por el manmetro 70Kg/cm acta sobre 120 cm de rea
de pistn produciendo un empuje de 8400 Kg.
No olvidemos que para hallar la superficie de un pistn debemos
aplicar la formula:
FACTOR DE MULTIPLICACIN. En la siguiente figura se presenta un
mtodo para multiplicar la fuerza en un sistema hidrulico. Una
fuerza de 70 kilogramos se aplica sobre el pistn A. Mediante el
clculo desarrollado anteriormente, se origina una presin disponible
de 7 Kg/cm2.
Esta presin acta sobre la superficie del pistn B de 20 cm2.,
produciendo una fuerza de empuje de 140 Kg. Es decir que la fuerza
aplicada sobre el pistn A es multiplicada en la misma relacin, que
la existente entre las reas de los dos pistones. Este principio, de
multiplicacin de fuerza es empleado en el freno de los automviles y
en las prensas hidrulicas. Refirindonos nuevamente a la figura
vemos que la multiplicacin de fuerzas se hace a expensas de
sacrificar la carrera del cilindro B. El pistn A se mueve una
distancia de 10 cm desplazando 100 cm (10 x l0). Esta cantidad de
aceite mueve el pistn B solo 5 cm. La velocidad de la carrera se ha
sacrificado. El pistn B se mueve 5 cm. en el mismo tiempo que el
pistn A recorre 10 cm. En la figura siguiente vemos una analoga
mecnica al sistema hidrulico descrito. El producto de las fuerzas
por las distancias debe ser igual en ambos sistemas de acuerdo a
las leyes de la mecnica. En el extremo izquierdo 70 x 0,10 = 0,700
Kgm., en el extremo derecho 140 x 0,5 = 0,700 Kgm.
Flujo de fluido en tuberas La situacin ideal del flujo en una
tubera se establece cuando las capas de fluido se mueven en forma
paralela una a la otra. Esto se denomina "flujo laminar", en l las
capas de fluido prximas a las paredes internas de la tubera se
mueven lentamente, mientras que las cercanas al centro lo hacen
rpidamente. Es necesario dimensionar las tuberas de acuerdo al
caudal que circular por ellas, una tubera de dimetro reducido
provocar elevadas velocidades de circulacin y como consecuencia
prdidas elevadas por friccin; una tubera de gran dimetro resultar
costosa y difcil de instalar. Existen grficos que permiten la
eleccin de los dimetros adecuados en instalaciones hidrulicas. En
la siguiente figura vemos una situacin de flujo turbulento donde
las partculas de fluido se mueven en forma desordenada con respecto
a la direccin del flujo. La turbulencia es causada por el exceso de
velocidad de circulacin, por cambios bruscos del dimetro de la
tubera, y por la rugosidad interna de la misma la turbulencia
produce excesiva prdida de presin en los sistemas y
sobrecalentamiento del aceite. A menudo puede ser detectada por el
ruido que produce la circulacin por las tuberas. Para prevenir la
turbulencia, las tuberas deben ser de dimetro adecuado, no tener
cambios bruscos de dimetro u orificios restrictotes de bordes
filosos que produzcan cambios de velocidad. En la figura que se
muestra a continuacin, vemos una seccin de tubera con flujo
laminar, las partculas se mueven a alta velocidad en el centro pero
paralelas una a la otra. La restriccin se ha realizado de manera
tal que presenta una transicin lenta de velocidades, de esta forma
se evita la turbulencia.
Las dos figuras siguientes (a) y (b) muestran qu sucede con la
corriente fluida cuando toma una curva de radio amplio y se
mantienen las condiciones de flujo laminar, a la derecha el cambio
de direccin es abrupto induciendo un flujo turbulento.
Tuberas en aire comprimido Para el transporte del aire
comprimido se reconocen tres tipos de canalizaciones: caera
principal, secundaria y de servicio. Se denomina caera principal a
aquella que saliendo del tanque de la estacin compresora conduce la
totalidad del caudal de aire. Debe tener una seccin generosa
considerando futuras ampliaciones de la misma. En ella no debe
superarse la velocidad de 8 m/segundo. Son caeras secundarias las
que tomando el aire de la principal se ramifican cubriendo reas de
trabajo y alimentan a las caeras de servicio tal como apreciamos en
la figura.
Las caeras de servicio son caeras o bajadas que constituyen las
alimentaciones a los equipos, dispositivos y herramientas
neumticas, en sus extremos se disponen de acoplamientos rpidos y
equipos de proteccin integrados por filtros, vlvula reguladora de
presin y lubricador neumtico. Su dimensin debe realizarse de forma
tal que en ellas no se supere la velocidad de 15 metros/segundo.
Las caeras de interconexin demandan que su dimensin sea tenida en
cuenta, ya que no hacerlo ocasiona serios inconvenientes en los
equipos, dispositivos y herramientas neumticas alimentadas por
estas lneas. Como estos tramos de caeras son cortos, se lo puede
dimensionar para velocidades de circulacin como mximo de 20
metros/segundo. Cada de presin en tuberas Es importante recordar
que la prdida de presin en tuberas "slo" se produce cuando el
fluido esta en "movimiento" es decir cuando hay circulacin. Cuando
esta cesa, como en la figura siguiente, las cadas de presin
desaparecen y los tres manmetros darn idntico valor.
Si a este mismo circuito le retiramos el tapn del extremo
aparecern prdidas de presin por circulacin que podemos leer en los
manmetros (ver figura). Cuando ms larga sea la tubera y ms severas
las restricciones, mayores sern las prdidas de presin.
Si quitamos las restricciones, una gran proporcin de la prdida
de presin desaparece. En un sistema bien dimensionado, la prdida de
presin natural a travs de la tubera y vlvulas ser realmente pequea
como lo indican los manmetros de la figura siguiente.
Cadas de presin en vlvulas Las vlvulas presentan prdidas de
presin localizadas, por ello deben ser correctamente dimensionadas.
Una vlvula subdimensionada provocar prdidas de potencia y
velocidad, una vlvula sobredimensionada ser econmicamente cara. Las
recomendaciones precisas figuran en los catlogos de los
fabricantes, pero para establecer una norma general diremos: Para
vlvulas hidrulicas una velocidad de 4 metros/segundo se considera
estndar para aplicaciones generales. En estos casos el tamao de la
vlvula puede ser el mismo que el dimetro de la caera para lneas de
presin. Para vlvulas neumticas se puede utilizar una regla similar.
El tamao de los orificios de conexin de los cilindros neumticos es
una gua razonable para el tamao de la vlvula. Como excepcin se
tienen los siguientes casos: cuando la vlvula comanda varios
cilindros, cuando se requieren altas velocidades de operacin en un
cilindro o cuando el cilindro opera siempre a bajas
velocidades.
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Prdida de Presin en un Circuito Automtico No todas las cadas de
presin son malas. En la figura siguiente hay un diagrama que
ilustra una tcnica importante utilizada en la automacin de
circuitos, y aplicada en neumtica e hidrulica. Cuando el cilindro
mostrado llega a su posicin de trabajo, una seal elctrica es
obtenida para poner en funcionamiento la prxima operacin en un
ciclo automtico. Nuestra descripcin comienza con plena presin
disponible en la bomba o compresor, pero con la vlvula de control
cerrada, de manera que el cilindro se encuentra retrado El primer
manmetro indica 100 PSI (7Kg/cm2). Las dos restantes indican 0. El
presostato est ajustado a 80 PSI.
Con la vlvula abierta, el fluido se dirige al cilindro. La
restriccin representa la prdida de carga de una tubera. Cuando el
fluido comienza a circular, una prdida de presin es generada, y
esta ilustrada por la lectura de los sucesivos manmetros. El
cilindro se desplaza libremente, requiriendo solamente 20PSI para
moverse; el remanente de presin disponible es consumido a lo largo
de la lnea. El presostato ajustado a 80 PSI no se conmuta mientras
el cilindro hace su carrera libre. Cuando el cilindro llega al
final de su carrera o a un tope positivo el movimiento de fluido
cesa y en la cmara del cilindro (y en el presostato) la presin
alcanza su valor mximo 100 PSI. Una seal elctrica procedente del
presostato comandar la siguiente funcin de un ciclo automtico.
Cada de presin en el circuito de una prensa hidrulica En las
siguientes figuras se muestran dos diagramas de bloques con dos
estados de un mismo ciclo de trabajo de una prensa hidrulica. Se
pueden efectuar grandes economas, cuando las necesidades de mxima
fuerza a desarrollar por la prensa, son necesarias nicamente en
condiciones estticas, o a travs de muy cortas carreras. Las vlvulas
y tuberas se subdimensionan, por razones econmicas, pero en la
operacin de la prensa esto no tiene efectos perjudiciales. Esto es
cierto ya que se basa en el principio ya visto de que no hay cadas
de presin cuando no existe circulacin. He aqu como opera:
El cilindro recibe fluido hidrulico desde la bomba y se mueve
libremente. La restriccin en la lnea representa la resistencia a la
circulacin a travs de vlvulas y tuberas subdimensionadas. Esta
restriccin no reduce el volumen de aceite procedente de la bomba
hidrulica de desplazamiento positivo, tal como veremos al estudiar
estos elementos. La restriccin en cambio consume una buena
proporcin de la presin que es capaz de desarrollar la bomba, pero
esto no tiene importancia por que solamente una muy pequea presin
es necesaria para mover el cilindro en su carrera libre.
En este diagrama el cilindro llega a su posicin de trabajo.
Cuando el cilindro se detiene cesa la circulacin de fluido a travs
de las vlvulas y tubera y la cada de presin desaparece del sistema.
Toda la fuerza de empuje es obtenida entonces a pesar de lo pequeo
de las vlvulas y tuberas. Estas figuras son diagramas en bloque en
la realidad cuando el cilindro se detiene, todo el caudal de la
bomba se descarga al tanque a travs de una vlvula de alivio no
mostrada Tanques y depsitos. La mayora de los sistemas hidrulicos
de tamao pequeo a mediano utilizan los tanques o depsitos como base
de montaje para la bomba, motor elctrico, vlvula de alivio, y a
menudo otras vlvulas de control. Este conjunto se llama. "unidad de
bombeo", "unidad generada de presin" etc. La tapa del tanque puede
ser removida para permitir la limpieza e inspeccin. Cuando esta no
es la lateral y constituye la parte superior del tanque, lleva
soldadas cuplas para recibir la conexin de tuberas de retorno y
drenaje. Se colocan guarniciones alrededor de las tuberas que pasan
a travs de la tapa para eliminar la entrada de aire. El tanque se
completa con un indicador de nivel, un filtro de respiracin que
impide la entrada de aire sucio.
La posicin de los bafles dentro del tanque es muy importante,
ver la figura siguiente. En primer lugar establecer la separacin
entre la lnea de succin y la descarga de retorno.
En segundo lugar la capacidad de radiacin de temperatura del
tanque puede ser incrementada, si el bafle se coloca de forma tal
que el aceite circule en contacto con las paredes externas como lo
muestra la figura. Para sistemas corrientes el tamao del tanque
debe ser tal que el aceite permanezca en su interior de uno a tres
minutos antes de recircular. Esto quiere decir que s el caudal de
la bomba es de 60 litros por minuto, el tanque debe tener una
capacidad de 60 a 180 litros. En muchas instalaciones, la
disponibilidad de espacio fsico no permite el empleo de tanques de
gran capacidad, especialmente en equipos mviles. Las transmisiones
hidrostticas en lazo cerrado, constituyen una excepcin a la regla,
ordinariamente emplean tanques relativamente pequeos. Tener un
tanque muy grande a veces puede ser una desventaja en sistemas que
deben arrancar a menudo u operar en condiciones de bajas
temperaturas. Accesorios para tanques En la siguiente figura vemos
un nivel visible para tanques, este elemento construido en plstico
permite que el operador no solo verifique el nivel sino tambin la
condicin de emulsin del aceite.
La tapa de llenado cubre el orificio de llenado, preferentemente
est retenida por una cadena. En la figura se muestra un tipo que
utiliza una coladera para filtrar el aceite que se vierte hacia el
tanque.
Los depsitos hidrulicos estn venteados a la atmsfera. Por ello,
la conexin de venteo debe estar protegida por un filtro. Cuando los
sistemas operan en una atmsfera. Por ello la conexin de venteo debe
estar protegida por un filtro. Cuando los sistemas operan en un
atmsfera limpia puede emplearse un filtro de respiracin de bajo
costo como el de la siguiente figura. Pero si se opera en atmsferas
muy contaminadas deben emplearse filtros de alta calidad capaces de
retener partculas mayores de 10 micrones.
Filtros La coladera de succin es una malla que se utiliza para
retener partculas slidas en la aspiracin. La prctica usual, si se
usan aceites minerales estndar, es utilizar una malla metlica capaz
de retener partculas de 150 micrones. Cuando se emplean fluidos
ignfugos, que tienen un peso especfico superior al aceite, es
preferible usar coladeras de malla 60, capaces de retener partculas
mayores de 200 micrones, para evitar la cavitacin de la bomba
(cavitacin es el fenmeno por el cual la presin de un fluido baja
por debajo de la presin adminisble). Con la introduccin de bombas y
vlvulas con alto grado de precisin, que permite operar a presiones
elevadas y altas eficiencias, el empleo de la coladera de aspiracin
no es proteccin suficiente para el sistema, si se quiere una larga
vida para el mismo. El propsito de la filtracin no es solo
prolongar la vida til de los componentes hidrulicos, sino tambin
evitar paradas producidas por la acumulacin de impurezas en las
estrechas holguras y orificios de las modernas vlvulas y
servo-vlvulas. En la siguiente figura se muestra un filtro micrnico
que puede ser empleado en el retorno o el envo. El elemento
filtrante de papel impregnado en fibra de vidrio, metal sinterizado
u otros materiales puede ser removido desenroscando el recipiente.
Cuando la cada de presin, a travs del elemento, se incrementa, para
evitar el colapso del mismo, una vlvula de retencin se abre dando
paso libre al aceite.
El filtro en lnea es una configuracin popular y econmica que
lleva incluida una vlvula de retencin (ver figura), su desventaja
consiste en que hay que desmontar la tubera para su
mantenimiento.
A continuacin veremos algunos circuitos de filtrado con filtros
micrnicos de 10 micrones: En la lnea de presin, en la figura se
observa un filtro instalado a la salida de la bomba y antes de la
vlvula reguladora de presin y alivio. Estos filtros deben poseer
una estructura que permita resistir la mxima presin del sistema.
Por seguridad deben poseer una vlvula de retencin interna. La mxima
prdida de carga recomendada con el elemento limpio es de 5 PSI.
En el retorno por alivio puede emplearse un filtro de baja
presin. Es una disposicin ideal cuando trabajan vlvulas de control
de flujo en serie y el caudal de exceso se dirige va la vlvula de
alivio permanentemente al tanque. La mxima prdida de carga
recomendada es de 2 PSI con el elemento limpio.
En la lnea por retorno, el aceite que retorna del sistema puede
pasar a travs de un filtro cuando se dirige al tanque.
Bomba hidrulica Una bomba hidrulica es un dispositivo tal que,
recibiendo energa mecnica de una fuente exterior, la transforma en
una energa de presin transmisible de un lugar a otro
de un sistema hidrulico a travs de un lquido cuyas molculas estn
sometidas precisamente a esa presin. Se dice que una bomba es de
desplazamiento no positivo cuando su rgano propulsar no contiene
elementos mviles. Es decir, que es de una sola pieza, o de varias
ensambladas en una sola. A este caso pertenecen las bombas
centrfugas, cuyo elemento propulsor es el rodete giratorio. En este
tipo de bombas, se transforma la energa mecnica recibida en energa
hidro-cintica imprimiendo a las partculas cambios en la proyeccin
de sus trayectorias y en la direccin de sus velocidades. Es muy
importante en este tipo de bombas que la descarga de las mismas no
tenga contrapresin pues si la hubiera, dado que la misma regula la
descarga, en el caso lmite que la descarga de la bomba estuviera
totalmente cerrada, la misma seguira en movimiento NO generando
caudal alguno trabajando no obstante a plena carga con el mximo
consumo de fuerza motriz. Por las caractersticas sealadas, en los
sistemas hidrulicos de transmisin hidrosttica de potencia hidrulica
NUNCA se emplean bombas de desplazamiento NO positivo. Se dice que
una bomba es de desplazamiento positivo, cuando su rgano propulsor
contiene elementos mviles de modo tal que por cada revolucin se
genera de manera positiva un volumen dado o cilindrada,
independientemente de la contrapresin a la salida. En este tipo de
bombas la energa mecnica recibida se transforma directamente en
energa de presin que se transmite hidrostticamente en el sistema
hidrulico. En las bombas de desplazamiento positivo siempre debe
permanecer la descarga abierta, pues a medida que la misma se
obstruya, aumenta la presin en el circuito hasta alcanzar valores
que pueden ocasionar la rotura de la bomba; por tal causal siempre
se debe colocar inmediatamente a la salida de la bomba una vlvula
de alivio o de seguridad con una descarga a tanque y con registro
de presin. Montaje de la bomba Cuando una bomba es movida en forma
directa mediante un motor elctrico con otros medios, es necesaria
acoplar los ejes mediante un manchn elstico tal como se ve en la
figura. La accin del manchn o acoplamiento elstico permite corregir
desviaciones angulares y axiales como las indicadas en las figuras
siguientes que de no eliminarse significara someter a los
rodamientos de la bomba a una sobrecarga para la cual no han sido
originalmente calculados, provocando su desgaste prematuro.
Montaje lateral por polea o engranaje Cuando es necesario
disponer de un montaje lateral del motor con respecto a la bomba,
la transmisin puede ser realizada por engranajes, cadena o correa
pero en todos los casos esta disposicin significara una carga extra
para los rodamientos de la bomba. Algunas bombas vienen preparadas
para soportar estas cargas adicionales y otras no. Cuando estn
construidas para este tipo de montaje, presentan en su interior un
rodamiento extra ubicado en el frente de la carcaza Cuando su
efecta, verifica o corrige un montaje lateral como el de la figura,
debe tratarse que la distancia entra el motor y la bomba sean la
mnimas posible a los efectos de minimizar las cargas sobre el eje
de esta ltima. Las bombas que no disponen de este rodamiento extra
para el montaje que describimos, pueden ser utilizadas, si se
provee una disposicin como la que muestra la figura derecha donde
el motor transmite el movimiento sobre un eje con rodamiento y este
queda acoplado a la bomba mediante un manchn elstico. Este eje
soporta, con sus rodamientos la carga extra.
Una cuidadosa inspeccin de los rodamientos de las bombas en
funcionamiento permitir detectar en forma inequvoca vicios de
montaje que como hemos visto son de fcil solucin, y redundan en una
mayor vida til de la bomba. Admisin y salida de presin En la mayora
de las bombas la seccin del orificio de admisin es mayor que el de
presin, esta regla casi y en general queda alterada en las bombas
de giro bidireccional donde ambos orificios presentan el mismo
dimetro. La razn de las diferencias de dimetros anotada, queda
justificada por la necesidad de ingreso de aceite a la bomba al
valor ms bajo posible (mximo 1,20 metros por segundo) quedar como
consecuencia unas mnimas prdidas de carga, evitndose de esta forma
el peligro de la cavitacin En ningn caso debe disminuirse por
razones de instalacin o reparacin el dimetro nominal de esta
conexin que invariablemente esta dirigida al deposito o tanque como
as tambin mantener la altura entre el nivel mnimo de aceite de este
ltimo y la entrada en el cuerpo de la bomba (ver figura) de acuerdo
a la indicado por el
fabricante. Para las bombas a engranajes, paletas y pistones sin
vlvulas, los fabricantes dan valores de succin del orden de los 4 a
5 pulgadas de mercurio cuando ellas operan con aceites minerales,
disminuyendo este valor a 3 pulgadas de mercurio cuando las bombas
operan con fluidos sintticos.
En general podemos decir que la distancia h de la figura no debe
superar nunca los 80 centmetros. Las bombas de pistones con igual
vlvula de admisin y salida no proveen una succin suficiente para
elevar el aceite y funcionar sin cavitacin, por ello se recurre al
llenado o alimentacin por gravedad como se ve en la figura
siguiente.
La observacin de lo anotado permitir el funcionamiento correcto
de las bombas instaladas asegurando su eficiencia, mediante una
aspiracin correcta y preservando la vida til de las mismas al
limitar las posibilidades de la cavitacin por una altura a excesiva
o una seccin de aspiracin menor es la indicada. Uno de los
problemas que frecuentemente se presentan, es la aspiracin de aire
por parte de la bomba, teniendo por consecuencia un funcionamiento
deficiente, prdida de presin, excesivo desgaste y funcionamiento
sumamente ruidoso. Afortunadamente los puntos por los cuales puede
ingresar aire a la bomba estn perfectamente localizados.
Consideraremos ahora los que se encuentran entre la bomba
propiamente dicha y el tanque.
En la figura siguiente se observa una disposicin corriente de
una tubera de succin en ella cada conexin de accesorio es decir 1,
2 , 3 y 4 presenta un camino propicio
para el ingreso de aire si bien esta tubera no soporta presin,
el empaquetado de los accesorios y conexiones sealadas, debe
efectuarse con extremo cuidado para impedir que , por succin de la
bomba , se introduzca aire.
Cuando la tubera de succin se acopla a la bomba mediante una
brida A es necesario prestar especial atencin al aro sello o junta
existente entre la brida y el cuerpo de la bomba, ya que su estado
determinar la posibilidad de ingresa de aire. Un mtodo que si bien
es poco ortodoxo resulta rpido y eficiente para el estado de los
puntos A, 1 ,2 ,3 y 4 o similares, es aplicar mediante un pincel
espuma obtenida con agua y detergente. Una rpida aparicin de las
burbujas nos indicar el sitio exacto por donde se incorpora aire al
circuito. El extremo de la tubera de succin termina en el tanque, a
travs de una coladera o totalmente libre, segn el caso, pero en
ambos su ubicacin debe quedar 2 pulgadas por debajo del nivel mnimo
del tanque, eliminando de esta forma, la ltima posibilidad de
ingreso de aire. Tolerancias en bombas de pistones y paletas Si
bien es muy poco probable que en razn del mantenimiento, se intente
la fabricacin de algn elemento de una bomba, considero importante
sealar sus principales caractersticas constructivas y tolerancias
dimensionales. Comenzaremos con la bomba de uso ms difundido, la
bomba de paletas un aro ovoide. En la figura siguiente se observa
un corte de este tipo de bomba, con sus partes identificadas.
Mediante el cartucho de recambio es posible realizar un
reacondicionamiento total de estas bombas. Las platinas laterales
estn realizadas en bronce fosforoso y la holgura que presenta
respecto al rotor y paletas es de 0,015 o 0,020, una de cada
lado.
La pista realizada en acero al Cr o WGKL, SAE 52100, es
comen-tado y templado y se encuentra rectificada interiormente con
una rugosidad no mayor a 5 micro pulgadas El rotor de acero al Cr o
Mo o SAE 3312 tiene las superficies de las ranuras, cementadas
templadas y rectifica-das. Las paletas a plaquitas estn realizadas
en acero rpido y sus caras y flancos estn recti-ficados existiendo
una holgura entre ellas y su ranura de alojamiento no mayor de
0,010 mm El eje de mando es de acero SAE 3135. El conjunto
mencionado es fijado el cuerpo de la
bomba mediante una espina de Acero Plata que atraviesa la pista
y ambos platinos, posicionando estos elementos con respecto a los
rayos del cuerpo. Durante la rotacin del rotor, las paletas se
aplican al perfil interior de la pista esencialmente por la accin
de la fuerza centrfuga y luego por la accin conjunta de esta y la
presin del aceite que llega por las derivaciones de las ventanas 5
y 7 de la figura siguiente. El perfil interior de la pista esta
formado entre las ventanas 5 , 6, 7 y 8 de las platinas por los
arcos de circulo que tiene por centro el del rotor conforman da
sectores de 24 cada uno. Las zonas de perfil correspondiente a las
ventana 5,6,7 y 8 es decir sobre las cuales se producen la
aspiracin y salida, estn trazadas con los centros desplazados con
relacin al centro del rotor gracias a la cual se obtiene una curva
que permita un caudal proporcional al ngulo de rotacin del rotor 4
. Debido a la conformacin del perfil de la pista las paletas entran
y salen del rotor dos veces por vuelta aspirando por 6 y 8 y
enviando aceite por 5 y 7 puesta que estas ltimas son
diametralmente opuestas, las presiones hidrulicas sobre el rotor s
equilibran mutuamente Conviene sealar que las ranuras del rotor no
son radiales sino que tienen una leve inclinacin alfa de 3 a 14
para aumentar su longitud y consecuentemente el guiado de la paleta
sin debilitarse excesivamente el rotar. El caudal terico de este
tipo de bombas puede calcularse mediante la si formula:
La diferencia R - r determina la altura h de la paleta, que en
la prctica es igual al 40% de su altura total. El nmero de R.P.M.
mxima as como la anchura mxima "B" del rotor, est limitado por la
cantidad de aceite que puede ser aspirado por las ventanas 6 y 8.
De donde surge que el caudal de la bomba no puede ser aumentado,
sino que se cuenta la seccin de las ventanas de aspiracin, la que
lleva aparejado un nuevo trazado del rotor y pista, Inspeccin,
reparacin y rearme de las bombas a paletas desplazables a) Lavar
todas las partes excepto arosellos, juntas y empaquetaduras. En un
lquido limpio y compatible, depositar las piezas en una superficie
limpia y libre de impurezas para su inspeccin, se recomienda el
reemplazo de arosello juntas y empaquetaduras en cada revisin b)
Las paletas gastadas en el borde que estn en contacto con la pista
pueden revestirse permitiendo ello su nueva utilizacin. c) Si la
superficie interna de la pista presenta severas ralladuras,
estriados transversales o escalones esta debe ser reemplazada, En
el caso de ralladuras no transversales y de escasa profundidad (es
decir superficiales) la pista puede ser reutilizada, mediante un
lapidado interior que no altera substancialmente su trazado
original. d) Un excesivo juego entre el estriado del eje y el
rotor, como as tambin entre las ranuras de este y las paletas
demandan el reemplazo del rotor. e) Si las caras internas de las
platinas es encuentran ligeramente ralladas pueden ser remaquinadas
prolongando as su empleo, Si las ralladuras que presentan son
profundas o si el orificio central se encuentra muy rayado o
desgastado, debe procederse al reemplazo de las platinas, f) Los
rodamientos, tornillos, tapones, espinas, separadores que indiquen
un dao o excesivo desgaste deben ser reemplazados. g) Despus de la
inspeccin y antes del rearmado cada parte debe ser sumergida en
aceite hidrulico limpio de la misma calidad y marca del empleado en
el equipo. Instrucciones de operacin Antes de poner en marcha la
bomba: 1) Controlar la libertad de movimiento de las partes
internas haciendo girar el eje con la mano. No poner en marcha
cuando hay evidencias de que existe algo que frene el libre giro 2)
Si la bomba es nueva o reconstruida tener la certeza que est armada
con propiedad. Controlar cuidadosamente el sentido de giros, el eje
de alineamiento, el valor de la vlvula de alivio y el nivel de
aceite. Puesta en marcha de la bomba. 1) Poner en marcha la bomba,
mediante impulsos cortos de corriente al motor en una rpida sucesin
de tal forma que la velocidad normal de giro sea alcanzada
paulatinamente. Esto permite a la bomba su cebado interno, mientras
la velocidad llega a su nivel normal, esta velocidad no debe ser
mucho menor de la mnima recomendada, ya que es necesario la
fuerza
centrfuga adecuada para hacer salir las paletas y ponerlas en
contacto con la pistas. 2) Si la bomba es nueva o reacondicionada
debe ser puesta en marcha bajo condiciones desde el primer momento
de tal forma que exista una contrapresin que asegure la lubricacin
interna. Una vez que la bomba arranca no deben ser tenidas en
cuentas las condiciones de presin anotadas. Inversin del sentido de
giro Las bombas de paletas desplazables en aros ovoides permiten la
inversin del sentido de giro, pero ello implica el reordenamiento
de sus partes internas a los efectos de conservar a pesar de la
inversin mencionada, su succin y salida invariables. Los cambios a
realizar en el interior de la bomba consisten simplemente en girar
90 el conjunto platinas y pista con respecto al cuerpo de la bomba
tal como la observamos en la figura de la izquierda.
Este cambio puede realizarse con la bomba montada ya que para
efectuarlo, basta retirar la tapa posterior de la misma. En la
figura de la derecha se observa el reemplazo de una bomba Vickers,
y en la siguiente figura la disposicin interna de los conjuntos
platillos, rotor y pista, en una bomba doble de la misma marca,
para distintos sentidos de giros.
Si bien la vida til de las bombas de paletas es prolongada,
cuando se las emplea dentro de los lmites sealados por cada
fabricante, una inspeccin cada 2500 horas de servicio, permitir
prevenir daos que demanden costos de reparacin elevados. Una de los
problemas no considerados que suele presentarse con ms asiduidad un
este tipo de bombas, cuando ellas permanecen detenidas por largos
perodos es el pegado de las paletas dentro de sus ranuras de
alojamiento, Esta adherencia se debe a las lacas que son productos
de la oxidacin del aceite, en consecuencia, en tales condiciones la
bomba al ser puesta en marcha no entrega caudal alguno. Debe
procederse a abrir y lavar con solventes limpias el conjunto pista,
rotor y paletas, verificando que estas ltimas se deslicen con
libertad en sus alojamientos procediendo luego al rearme en las
condiciones ya especificadas. Este procedimiento debe ser aplicado
a toda bomba instalada a no, que haya permanecido un largo periodo
inactiva. Bombas de pistones Las bombas de pistones estn diseadas
para presiones de servicio ms elevadas que las que soportan las
bombas de paletas. Presentan una gran variedad constructiva. Una
clasificacin genrica de estas bombas es la siguiente: Bombas de
pistones en lnea (de caudal fijo nicamente). Bombas de pistones
axiales y radiales (de caudal fijo variable).
A pesar de la variedad, los altos niveles de presin operativa
(hasta 700 kg/cm2) exigen una caracterstica de materiales,
aleaciones y tolerancia comunes a todas ellas, a saber: ROTOR. Se
desarrollan en bronces fosforosos con la siguiente composicin: 3,2%
de Carbono, 1% de Manganeso, 0.26% de Potasio, 1.75% de Slicio,
0,085% de Cromo, 0,06% de Niquel; con una dureza HB=200. PISTONES.
Construidos en Acero Cromo-Niquel de cimentacin, cementado y
templado. EJE DE DISTRIBUCIN. Igual en acero cromo-nquel de
cementacin. PISTAS En acero de rodamientos templado. Tolerancias.
Holgura entre pistn y cilindro no mayor de 0,005 a 0,008 mm.
Ovalizacin mxima admitida en los pistones 0,005 mm. Terminaciones
superficiales. Los pistones y sus alojamientos son rodados, es
decir, estn sometidos a un tratamiento de terminacin superficial
por arranque de material, este proceso lleva el nombre de rodage a
la pierre en francs y nonius en ingls. No tiene denominacin en
castellano, y difiere del superacabado y del lapidado.
Bombas rotativas de pistones radiales de caudal fijo Las bombas
de pistones radiales de caudal fijo tienen tantas variantes en la
actualidad, que un estudio de cada una de ellas demandara varios
documentos como el actual. Por ello solamente trataremos la ms
conocida. Estas bombas pueden ser de caudal fijo o de caudal
variable, empezaremos con la primera. Las bombas hidrulicas
rotativas de pistones radiales, pueden clasificarse segn sus
vlvulas, en vlvulas de asiento o rotativas. Mientras, que como
vimos, las bombas multicilndricas de pistones en lnea tienen
solamente vlvulas de asiento. En las bombas radiales, los asientos
pueden ser de vlvulas de bola, de platillo o de asiento cnico. Si
los cilindros giran, las vlvulas son de tipo rotativo o deslizante
y son hermticas, por medio de una pelcula de aceite entre las
superficies mviles y estacionarias. Las bombas que poseen vlvulas
rotativas son algo diferentes a las de vlvulas de asiento, siendo
inevitable cierto resbalamiento a presiones altas, debido a la fuga
de aceite a travs del juego en las vlvulas. Adems las presiones de
trabajo de las bombas de vlvulas rotativas se hallan limitadas con
el fin de mantener altas eficiencias volumtricas a una presin
constante y, adems, por el riesgo de agarrotamiento de las vlvulas
bajo la accin de cargas excesivas. Por tal razn las bombas de muy
alta presin tienen vlvulas de asiento, por lo que sus pistones no
giran, ella es la disposicin clsica de las bombas de caudal fijo, o
sea, de suministro constante. Las bombas alternativas de descarga
constante comprenden: tipos de pistones radiales con cilindros
estacionarios que veremos a continuacin, bombas de pistones axiales
con cilindros estacionarios, que se vern ms adelante y bombas de
pistones en lnea, todas estas vlvulas de asiento.
Con las bombas de alta velocidad, de pistones radiales con
vlvulas de asiento, se obtienen eficiencias volumtricas sumamente
altas, a valores de un 98%. Por lo general, cada cilindro o
cualquier otra cmara en la bomba es pequeo en relacin bloque de
acero que la rodea, y los pistones estn tan pulidos que se adaptan
a los cilindros sin necesidad de empaquetadura alguna.
Naturalmente en estas bombas juega un rol fundamental la
viscosidad del aceite, por lo que en los sistemas hidrulicos que
usan estas bombas la temperatura del mismo debe estar siempre lo ms
baja y constante posible. La descarga de cada cilindro adopta la
forma de pequeas pulsaciones de muy alta frecuencia. Bomba SECO La
bomba seco consta de un cuerpo de acero, en el que van alojadas las
vlvulas de asiento de bola. La vlvula de admisin, ms grande que la
de impulsin, se ubica en sentido radial dentro de un casquillo
hueco que tiene un asiento plano que desliza sobre las caras
hexagonales de un dado central, que asienta sobre un cojinete muy
robusto de rodillos, que va montado sobre un eje con una leva
excntrica central circular maquinada sobre el mismo eje de entrada,
que es el mando de la bomba y que est conectado con un manguito a
un motor elctrico.
El casquillo mencionado, en realidad un mbolo hueco, retorna por
la accin de un resorte contenido en la tapa del cilindro, de tipo
atornillable. En forma axial, van dispuestos las cmaras de impulsin
que tienen sus vlvulas de asiento de bola bloqueadas contra su
asiento por medio de un resorte (en realidad son vlvulas de
retencin). La salida se recoge en una tapa colectora frontal. Este
tipo de bomba permite el logro de muy altas presiones, del orden de
5.000 libras por pulgada cuadrada. Como la admisin a los cilindros
se opera por la parte central de la bomba, donde se encuentra
alojado el eje excntrico con sus correspondientes rulemanes, la
lubricacin de todas las partes mviles y deslizantes de la bomba se
encuentran permanentemente lubricadas por el mismo aceite
hidrulico. Dems est decir por razones de lubricacin, que estas
bombas utilizan exclusivamente aceite hidrulico. Con agua se
destruiran a los pocos minutos de funcionamiento.
Bombas rotativas de pistones radiales de caudal variable En las
bombas rotativas de pistones radiales de caudal variable el rotor
giratorio lleva alojado en su interior, a manera de eje, el
distribuidor y colector de caudal (pintle), esencialmente un eje
estacionario que lleva agujeros en su interior que se conectan por
medio de toberas con las distintas cmaras de aspiracin y de
impulsin. De hecho, ello forma un sistema de vlvula rotativa
deslizante, sistema caracterstico de las bombas rotativas de
pistones radiales o en estrella de caudal variable.
Gracias a un nmero relativamente elevado de pistones y a su
corta carrera, las pulsaciones del caudal son enteramente
despreciables. La presin de salida de estas bombas est limitada
principalmente por las reacciones sobre los cojinetes, que llegan a
ser muy importantes con presiones elevadas. Bomba Hele-Shaw Las
bombas de descarga variable son muy utilizadas, estn construidas de
acuerdo con los principios, establecido en 1908, por el iniciador
de este tipo de diseo, el Dr. Hele-Shaw que comenz a construirlas
en Inglaterra. Fue la primera bomba que utiliz vlvulas rotativas o
deslizantes en las que debe procurarse, a toda costa, mantener una
estanqueidad contra la alta presin, mediante una pelcula de aceite
entre las superficies rozantes. De esta manera no solo proporcionan
un suministro de caudal infinitamente variable desde cero hasta un
mximo, sino que tambin son reversibles, como ya se ha dicho. El
resbalamiento, o fugas de aceite, por las vlvulas rotativas o
deslizantes, aumenta considerablemente a presiones altas, y si las
cargas son excesivas se hace presente el riesgo de agarrotamientos
que puede daar seriamente a la bomba. Por tal causa, esta bomba no
trabaja a presiones mayores de 140 atmsferas. De bombas de este
tipo se construyen en un vasto rango de capacidades, con potencias
elevadas como 200 HP.
Las bombas Hele-Shaw de tamao grande trabajan a velocidades del
orden de 500 r.p.m. y las pequeas a velocidades de 1500 r.p.m.
En el cuerpo del cilindro A se hallan fundidos formando una sola
pieza un cierto nmero de cilindros radiales. Dicho cuerpo se
encuentra soportando por sendos cojinetes a bolas B y C, conectado
el rbol de mando D. Este cuerpo gira alrededor de la vlvula central
fija E, que contiene las lumbreras X e Y cada una de las cuales
conduce al ramal de admisin o de descarga de aceite, que son F y G
respectivamente. El juego, entre el cuerpo de los cilindros (rotor)
y la vlvula central, est ocupado por una pelcula de aceite que acta
como un sello. Cada pistn H est conectado a dos cojinetes J por
medio de un perno de pistn K sobra el que puede oscilar. Los
cojinetes estn alojados en ranuras practicadas en el anillo
flotante L, que gira sobre los rulemanes a bolas M y N .Estos estn
alojados sobre las guas O, que es deslizan libremente entra las
caras paralelas maquinadas dentro de las tapas. De esta manera, el
anillo flotante L gira cuando lo hace el cuerpo del cilindro, y el
eje de rotacin depende de la posicin de los cojinetes de bolas M y
N, determinado por el recorrido de las guas O.
Cada diagrama corresponde a una seccin realizada a travs de la
vlvula fija central por un plano que pasa por los ejes de los
cilindros. Las lumbreras X e Y, cada una de las cuales est en este
caso por duplicado, comunican con los cilindros a travs de ranuras
practicadas en la cara de la clavija central o vlvula. La figura
(a) representa el estado en el que el eje de rotacin del perno de
pistn coincide con el eje de la clavija, cuando las guas O estn a
mitad de su recorrido. En dicha posicin, la rotacin del cilindro no
causa el movimiento radial de los pistones y no se produce
suministro de aceite en ninguna de ambas direcciones. El movimiento
de las guas O se representa por el desplazamiento del elemento
rotativo sobre la lnea PQ. El desplazamiento hacia P figura (b)
causa la excentricidad de la rotacin de los pistones alrededor del
cuerpo del cilindro, de la manera que el aceite se encuentra
aspirado por la lumbrera X y descargado por la lumbrera Y. Por otra
parte, el desplazamiento hacia Q que se aprecia en la figura (c),
invierte el sentido del flujo, de manera que el aceite es aspirado
de Y, y descargado, por la lumbrera X. La variacin de la
excentricidad vara el volumen suministrado en ambas direcciones. En
esta bomba, como en todas las que tienen vlvulas rotativas o
deslizantes el factor de frotamiento entre las superficies de
frotamiento crece con n (nmero de vueltas) y la potencia prdida en
rozamientos crece con n (3/2). Bomba Pittler-Thoma Esta bomba de
manufactura alemana, tiene el mismo principio de funcionamiento que
la Hele-Shaw difiriendo de esta en detalles constructivos. En esta
bomba, los pistones tienen alojados en sus cabezas exteriores un
perno sobre el que rota libremente un pequeo rulemn a bolillas, el
cual rueda sobre la cara interior del aro de regulacin de caudales,
cuyo movimiento de registro en algunos modelos es de comando
manual, como se muestra en la figura. En otros modelos el registro
se opera automticamente, por la presin de sistema hidrulico, con
servodispositivos adecuado.
Bomba Oilgear Esta bomba de manufactura americana es
posiblemente en la actualidad la bomba de pistones radiales de
caudal variable ms completa, y tambin ms costosa. Si bien es cierto
que su principio fundamental de funcionamiento es idntico a las
anteriores, difiere considerablemente en sus caractersticas
constructivas. En este caso, los pistones radiales de la bomba, en
lugar de tener muequillas, patines o rulemanes en sus cabezas para
asegurar un contacto con la pista interior del aro de registro,
terminan sus cabezas en superficies esfricas, que, como se ve en la
figura, se apoyan en una pista de acero templado T, diseada de tal
forma que el punto de contacto se halla descentrado del eje del
cilindro. El movimiento circunferencial relativo se obtiene
mediante la rotacin parcial de los pistones, que giran dentro de su
alojamiento cilndrico al mismo tiempo que todo el conjunto gira
alrededor del eje de rotacin de la bomba. Utilizando dos grupos de
pistones en dos planos separados normales al eje de la bomba, los
empujes laterales paralelos al eje del rbol se equilibran entre
s.
Esta bomba viene provista de diversos accesorios de fbrica, que
permiten, segn el pedido del cliente ser operadas comn a dos etapas
de presin, tener comando del registro de caudal por sistema de
mando manual, elctrico, automtico o por piloto hidrulico. Los
fabricantes producen esta unidad para un rango de presiones de 60,
120 y 175 atu con capacidades de hasta 150 HP. Para igualdad de
caudales esta bomba es de un ms reducido tamao que la Hele-Shaw.
Bombas de pistones esfricos La bomba de pistones en forma de bolas
ha resultado interesando a los proyectistas de bombas hidrulicas,
debido el bajsimo desgaste de las partes en rozamiento. No es lo
mismos desde luego el rozamiento contra una pista interior circular
de patines o cilindros de rodadura de bolas perfectamente esfricas
y pulidas de acero extra duro tratado. El principio de
funcionamiento hidrulico es enteramente similar a los
anteriores.
Referencias existentes indican que este tipo de bombas ya haba
sido ensayado en Inglaterra alrededor de 1916, pero el estado de la
tecnologa en lo que hace a calidades de acero extra-duros
antifriccin tratados trmicamente imperante en aquella poca no
permiti evitar los excesivos desgastes que se ocasionaran en
aquellas bombas, ya que se vean limitadas en su aplicacin por el
aumento de las fugas ocasionadas por esas desgastes prematuras. Con
los materiales y acabados extra-duros antifriccin y
anti-escoriables, que actualmente la tecnologa pone a disposicin
del ingeniero proyectista, es posible fabricar bombas de pistones
esfricos que tengan una duracin razonablemente mayor. Estas bombas
se utilizan actualmente en algunos equipos auxiliares de aviacin.
Experimentos realizados recientemente en Inglaterra con bombas de
pistones esfricas recubiertos con capas metalizadas de carburos de
tungsteno permitieron funcionamientos continuos de 500 horas sin
desgastes apreciables ni prdidas por fugas internas ponderables.
Por razones de diseo en funcin de la geometra de este tipo de
bombas la carrera de las bolas que hacen las veces de pistones esta
limitada a la tercera parte del dimetro de la misma. Por tal
motivo, y para aumentar los caudales sin aumentar el tamao fsico de
la bombas se han construidos bombas con pistas ovaladas, lo cual
permite obtener dos carreras por revolucin duplicando as el caudal
con el mismo tamao de bomba. En la siguiente figura se observa un
esquema de este interesante tipo de bomba, que encuentra mucha
aceptacin para presiones no mayores de 30 atu. Esta bomba es de
caudal fijo pero se ha logrado fabricarlas de caudal variable para
pequeos valores del mismo mediante un desfasado adecuado. Para ello
se utilizan dos grupos de pistones y pistas para bolas y un
mecanismo de regulacin capaz de girar las pistas en sentidos
opuestos, produciendo una variacin de fase entre los movimientos de
los dos grupos de pistones.
Bombas rotativas de pistones axiales El mecanismo bsico de estos
dispositivos es siempre una placa matriz circular montando
oblicuamente un eje.
Si bien est placa oscilante en parte es un sustitutivo de la
manivela, y se la conoce desde hace mucho tiempo en ingeniera
mecnica, no ha tenido mayores aplicaciones en diversos tipos de
maquinarias debido a la complejidad de los mecanismos a que ella
daba lugar. La bomba hidrulica de alta presin es posiblemente la
nica aplicacin donde el dispositivo se ha empleado con xito y tanto
es as , que actualmente existe la definida tendencia de utilizar ms
y ms este tipo de bomba en todas las utilizaciones industriales,
desplazando a las bombas de pistones radiales o en "estrella" a
pesar de ser ms robustas simples y durables, y ello muy
posiblemente sea debido a la influencia de la tcnica hidrulica
aeronutica ya en la aviacin la cuestin peso es de vital importancia
y este tipo de bomba es la que asegura mayor potencia por kilogramo
de peso, Pero aparte esta razn las bomba con placa motriz circular
oscilante de cilindros axiales ( paralelos al eje de la bomba)
tiene tres ventajas fundamentales respecto a las bambas de pistones
radicales . a) Los cilindros se hallan muy cerca respecto del eje
central de giro, por la cual:.la fuerza centrfuga sobra los
pistones es considerablemente menor. b) El mecanismo que se encarga
de producir el movimiento alternativo de los pistones es ms rgido.
Por esta razn los golpes de ariete que se presentan en estas bombas
son mucho menores ya que los pistones pasa del tiempo de aspiracin
el de presin y viceversa, de una manera ms suave, condicionando un
menor nivel de ruido. c) La utilizacin de bombas de cilindros
axiales permite el empleo de vlvulas deslizantes rotativas planas
mientras que en las bombas de pistones radiales las vlvulas
rotativas deslizantes eras cilndricas y las primeras permiten
presiones tan: altas como 35 atu, mientras que con las segundas no
es posible para tener buenos rendimientos hidrulicos - pasar ms all
de los 210 atu. Bomba de Williams-Janney Esta bomba, diseada y
construida por primera vez entre los aos 1901 y 1906, en Estados
Unidos por la Waterbury Tools Mg., por Harvey Williams y Reynolds
Janney, es la base de la que actualmente se construye por distintas
empresas en USA, Inglaterra, Europa y Japn, y que ha permitido dar
a la hidrulica del aceite el increble desarrollo que ha tomada en
la actualidad. En la figura se muestra un corte longitudinal de
esta bomba, en su versin original.
El rbol D que recibe el movimiento de un motor elctrico que no
figura en el dibujo, Este rbol D va guiado en dos cojinetes a
bujes. Montado sobre este rbol se encuentra un manguito estriado,
sobre el cual a su vez se encuentra montado el bloque de cilindros
C, que recibe a travs del manguito el movimiento de rotacin Dentro
del bloque de cilindros se desplazan en cada cilindro su
correspondiente pistn que est vinculado mediante una biela E que en
sus dos extremidades tiene una cabeza esfrica para lograr una
articulacin rotulante universal, una de ellas para fijar la biela a
su pistn y la otra para fijar la biela a un anillo portamuones que
va montado dentro de un receptculo anular J. Este ltimo va encajado
dentro de un cojinete liso K, el cual a su vez se encuentra montado
dentro de una muonera G. Todo este conjunto se encuentra fijado a
una junta universal doble M, que se halla situada entre el conjunto
descrito y el rbol D. La muonera G puede girar parcialmente
alrededor de unas soportes giratorios que no se muestran en la
figura anterior. Si la bomba comienza a funcionar conservando las
mismas distancias que se muestran en el dibujo, de manera que el
eje del receptculo anular coincida con el eje del rbol los pistones
NO se desplazan en sus correspondientes cilindros y la bomba no
suministra ningn caudal al circuito hidrulico. Inclinando ahora la
muonera hacia un lado que en esta versin original de la bomba
Williams Janney se lograba con un mecanismo accionado por una
palanca de accionamiento manual situada en el exterior del cuerpo
de la bomba los pistones se desplazarn dentro de sus
correspondientes cilindros alternativamente y bombeando aceite -
desde A hacia B, inversamente, desde B hacia A invertimos el
desplazamiento de la muonera. Vale decir que la bomba no solamente
es el caudal variable, sino que tambin de flujo reversible. La
estanqueidad de las vlvulas deslizantes planas V se obtiene
inicialmente gracias a la accin del resorte X montado sobre el rbol
D. Las superficies de las lumbreras tienen tales dimensiones que
hacen que puede quedar desequilibrada una pequea parte del empuje
final total del pistn permitiendo que una fuerza resultante
mantenga a las vlvulas superficiales en contacto. La accin valvular
se obtiene gracias a las lumbreras de cada pistn que se encuentran
talladas en el bloque de los cilindros las cuales comunican
alternativamente con dos lumbreras de forma reniforme que
constituyen la admisin y escape en la vlvula superficial
estacionaria, que es un disco plano, no mostrado en el dibujo. Si
bien el bloque de cilindro C, se encuentra montado sobra un
manguito al rbol D, no est rgido sobre dicho rbol, sino que entre
ellos se encuentra una pequea junta universal H de manera tal que
esta le permita alinearse por si mismo sobre la vlvula superficial
por la que las superficies de contacto de estas no quedan separadas
por cualquier posible tensin o deformacin en el mecanismo. Esta
descripcin que acabamos de dar, nos muestra, como ya fue dicho, la
versin original de esta bomba. Los diversos fabricantes
licenciatarios, que encararon su fabricacin fueron en el curso de
los aos y a travs de la experiencia de la prctica, modificaron
sensiblemente el diseo original si bien respetando el principio
fundamental de la bomba. Las modificaciones y alteraciones bsicas
consistieron en montar el rbol D sobre robustos cojinetes a bolas,
encamisar los cilindros dentro del bloque giratorio, eliminar todo
tipo de resortes, utilizar robustas crapodinas de empuje
en la muonera G. y sobre todo perfeccionar el sistema de mando
para la inclinacin de la muonera oscilante . Una versin actual de
esta bomba se muestra en la siguiente figura.
En la figura se muestra el corte de una bomba moderna
actualmente fabricada por una prestigiosa firma alemana, apreciamos
claramente que la periferia del disco oscilante tiene un dentado
que engrana con los filetes de un tornillo que al accionarse desde
el exterior sobre una platina graduada permite desplazar la
inclinacin del plato oscilante para lograr el caudal deseado. En
los modelos actuales se trabaja con presiones de servicio de 200
atu a velocidades normales de rotacin de 1.500 r.p.m. Bomba de
mbolo buzo axial (Electrulica) La firma inglesa Towler que fabrica
la bomba multi-cilndrica de pistones en lnea, vista anteriormente,
tambin manufactura otro tipo de bomba de pistones axiales de la
cual representamos en la figura un corte longitudinal de la
misma.
La bomba consta de dos grupos de tres pistones accionados por
una placa motriz circular. En lugar de utilizar patines o bielas,
los extremos libres de los pistones tienen una cabeza semiesfrica.
Los pistones se encuentran empujados por contacto directo con la
superficie dura de la plata motriz circular sobra la cual se
deslizan formando un contacto de rodadura perfecto. En la figura se
muestra una de estas bombas en la cual el empuja axial del: plato
oscilante es soportado por una robusta crapodina de empuje planos
colocada contra la pared interior de la carcaza y otra similar
montada sobre la corona oscilante. Estas crapodinas se
individualizan en el plano con las letras F. Los mbolos tienen
libertad de rotacin dentro de sus cilindros, y para asegurar un
contacto satisfactorio entra las cabezas de los mbolos y la
superficie de rozamiento entro estos y el plato oscilante, este
ltimo se hace girar lentamente por medio engranajes cnicos, como se
ven en la figura, uno de los cuales esta unidos al cuerpo de la
bomba y el otro al plazo oscilante, La relacin de transmisin de los
engranajes cnicos corresponde a la secante del ngulo de inclinacin
de la cara de empuje del plato oscilante. Los fabricantes han
afirmado que este plato oscilante con corona dentada, en combinacin
con anillos de empuje recubiertos con pelcula lubricantes permite
operaciones continuas a presiones muy altas. Por ejemplo una bomba
prototipo ha funcionado durante ms de 2,000 horas a 7,000 libras
por pulgada cuadrada sin recibir desgastes apreciables. Una bomba
auxiliar P del tipo del engranajes accionada por una prolongacin
del rbol de transmisin precarga la bombas extrayendo aceite del
tanque de almacenamiento del aceite y manda a este al colector de
la bomba de alta presin a travs de un pasaje interno, no mostrado
en la figura. La capacidad de la bomba auxiliar excede la capacidad
de la bomba de alta presin y el aceite excedente pasa a travs de
otro conducto desde el colector hasta el crter donde se encuentra
alojado el plato basculante. El pasaje estrecho entre el colector
de admisin y la caja del plato basculante asegura una presin de
aceite suficiente en el colector para levantar las vlvulas de
admisin y adems, y esto es lo importante, los mbolos reciben empuje
hacia afuera durante sus carreras de aspiracin mediante una presin
suministrada precisa por la bomba auxiliar P. Consideraciones de
inspeccin y puesta en marcha de las bombas a pistones Imperan para
este caso las condiciones generales que hemos expuesto para las
bombas de paletas, sin embargo en razn de las estrictas tolerancias
constructivas y la complejidad de algunos modelos son limitadas las
reparaciones que pueden intentarse dentro de las plantas
industriales debindose recurrir en la mayora de los casos al
reemplazo de los conjuntos rotor o barrilete y pistones. Inversin
del sentido de giro. El sentido de giro de las bombas de pistones
axiales y radiales puede ser invertido solamente en los modelos de
plato matriz y/o de distribucin por vstago central, siempre
atenindose en las instrucciones del fabricante. Las bombas de
distribuidor por placa rozante y/o los de tambor a barrilete
giratorio no pueden invertir su sentido de giro en cuyo caso deben
ser solicitadas al fabricante para un determinado sentido.
Banco de pruebas y recepcin. Cualquier tipo de bomba de
desplazamiento positivo, puede ser controlada en un banco de
construccin sencilla que nos permita conocer si se ajusta a las
condiciones de funcionamiento especificadas. El banco que
describiremos, ver figura, permite fundamentalmente comprobar el
caudal que entregada una determinada bomba a diferentes valores de
presin y constatar mediante un ampermetro la potencia que
desarrolla el motor.
Las condiciones de prueba son: a) Mantener las condiciones de
temperatura del aceite y viscosidad del mismo de a acuerdo a lo
indicado por el fabricante. b) En funcin de que los fabricantes
sealan los caudales y potencias absorbidas por un tipo determinado
de bomba a diferentes valores de presin. Se tomarn esas presiones
para la pruebas permitiendo de esa forma constatar los caudales. c)
La velocidad de giro de la bomba durante la prueba deber coincidir
con la establecida por el catlogo en caso contrario efectuar la
conversin de caudal al nuevo nmero de vueltas, utilizando para ello
el valor que debe figurar en catlogo de desplazamiento cbico por
vuelta. Bomba de engranajes La bomba de engranajes es una de las ms
populares bombas de caudal constante, sobre todo la de engranajes
exteriores. En su forma ms comn, se componen de dos piones dentados
acoplados que dan vueltas, con un cierto juego, dentro de un cuerpo
estanco. El pin motriz est enchavetado sobre el rbol de arrastre
accionado generalmente por un motor elctrico. Las tuberas de
aspiracin y de salida van
conectadas, cada una por un lado, sobre el cuerpo de la bomba.
En la figura se ve el corte de una bomba comn de dos
engranajes.
Los dientes de los piones al entrar en contacto por l lado de
salida expulsa el aceite contenido en los huecos, en tanto que el
vaco que se genera a la salida de los dientes del engranaje provoca
la aspiracin del aceite en los mismos huecos. Las bombas corrientes
de engranajes son de construccin simple, pero tienen el defecto de
tener un caudal con pulsaciones. Los piones dentados se fabrican
con acero Cr-Ni de cementacin, estn cementados, templados y
rectificados (profundidad de cementacin 1 mm.) Los ejes de ambos
engranajes estn soportados por sendos cojinetes de rodillos
ubicados en cada extremo. El engranaje propulsor se encuentra
acuado a su eje. Como se dijo, el aceite es atrapado en los
espacios entre los dientes y la caja de funcin que los contiene y
es transportado alrededor de ambos engranajes desde la lumbrera de
aspiracin hasta la descarga. Lgicamente el aceite no puede retornar
al lado de admisin a travs del punto de engrane. Los engranajes de
este tipo de bomba generalmente son rectos, pero tambin se emplean
engranajes helicoidales, simples o dobles, cuya ventaja principal
es el funcionamiento silencioso a altas velocidades. Cabe destacar
un hecho al cual hay que poner preferente atencin: deben tomarse
precauciones contra el desarrollo de presiones excesivas que pueden
presentarse por quedar aceite atrapado entre las sucesivas lneas de
contacto de los dientes, como puede verse en el detalle de la
figura. Para evitar este inconveniente, se ejecuta en las platinas
laterales un pequeo fresado lateral que permite el escapa del
aceite comprimido, ya sea hacia la salida o hacia la aspiracin.
Siendo Mo el mdulo del diente de los engranajes tendremos:
La anchura del fresado recomendada 195 Mo La profundidad del
fresado recomendada 0,5 Mo
La longitud del fresado recomendada 1,2 Mo Distancia del fresado
a la lnea de centros 0,5 Mo
En las bombas con dos sentidos de marcha, se efectan dos
fresados, una a cada lado de la lnea de centros.
En la figura se muestra una bomba llamada Barnes, en la que se
ha solucionado el problema mencionado. En el pin conducido y en el
fondo de los vacos de los dientes, se ha practicado un pequesimo
agujero por donde se descarga el aceite atrapado. Se hace lo mismo
en la cresta de los dientes, solucionando el problema en su
totalidad. La comprensin del aceite en la cmara A empieza en el
momento que un diente entra en contacto a la vez con los dos
adyacentes al hueco en el que penetra. En este momento, el aceite
de la cmara A se escapa por el canal F, la cavidad N fresada en el
rbol y los canales E hacia la salida. Cuando los dientes atraviesan
la lnea de centros se inicia el desengrase. Se crea as un vaco en
la cmara B, que es inmediatamente llenado por el aceite que llega
por el lado aspiracin, por los canales D, la cavidad M y el canal
Q. Esta accin particular asegura a la bomba una gran suavidad de
funcionamiento. En las bombas de engranajes de construccin
corriente, el aceite ejerce una presin radial considerable sobre
los piones lo que provoca la deformacin de los rboles, el aumento
disimtrico del juego y, por consiguiente, el aumento de las fugas.
Por otra parte, los refuerzos radiales elevados necesitan
rodamientos o cojinetes de grandes dimensiones, todo lo cual hace
aumentar el peso de la bomba. Para equilibrar los piones de las
bombas de engranajes, desde el punto de vista hidrulico, existen
dos modos diferentes que permiten resolver esta cuestin. Por un
lado, se realizan en los piones dentados (que a este efecto deben
tener nmeros pares de dientes) pequeos agujeros diametrales que
atacan los vacos de los dientes. Estos agujeros se cruzan, pero no
se cortan.
En la figura se muestra lo que sucede del lado de la salida, la
presin que se ejerce sobre los piones da origen a fuerzas
resultantes F1 y F2, en la que cada una acta sobre su pin
respectivo. Debido a los agujeros radiales, el aceite a presin
penetra a travs de cada pin en el lado opuesto a la cmara de
compresin, lo que crea las fuerzas resultantes F3 y F4, que libran
respectivamente las fuerzas F1 y F2. La presin sobre las engranajes
vara durante su rotacin, por este hecho el equilibrado no puede ser
perfecto, no obstante, permite una reduccin considerable de las
dimensiones de los cojinetes y como consecuencia la aplicacin de
las bombas de engranajes para presiones de servicio mayores. Los
piones de la bomba esquematizada en la figura tienen para su
equilibrio un taladro en cada hueco entre diente. Esta disposicin
perjudica considerablemente la estanqueidad entre las zonas de
aspiracin y de comprensin, por la simple razn de que los agujeros
(1) y (2) unidos respectivamente a cada una de estas zonas, no estn
separadas sino por un solo diente. Para remediar este
inconveniente, se ejecutan los agujeros ms separados, como se
ilustra en la siguiente figura. En todos los casos, a fin de
disminuir el mximo los esfuerzo sobre los piones, conviene dotar a
la cmara de comprensin (R) de dimensiones lo ms reducidas posibles.
El nmero de vueltas para las bombas de dientes rectos es
generalmente de 900 a 1500 r.p.m. En las bombas de dentado
helicoidal ya sea simples o actas, la velocidad puede llegar hasta
1800 r.p.m. En los modelos muy perfeccionados, con dientes
corregidos platinas de bronce rectificadas, eliminacin de la
compresin de aceite entre los dientes en contactos, el nmero de
revoluciones puede llagar hasta 2.500 r.p.m. En los modelos
equilibrados, las presiones pueden llegar a 70kg/cm2 y aun valores
superiores. Presiones mayores en este tipo de bombas ocasionan
ruidos muy molestos de funcionamiento y trepidaciones perjudiciales
en el circuito. Es importante que los huecos entre dientes se
llenen completamente de
aceite durante la aspiracin. En caso contrario los espacios mal
llenados evocan la formacin de vapores de aceite, los cuales
bruscamente comprimidos, causan choques hidrulicos y un ruido
considerable. Este ruido es ms amortiguado cuando se emplean
aceites viscosos, pero aumenta considerablemente con el crecimiento
de la velocidad y de la presin. Un recurso que da buen resultado,
es aumentar considerablemente el volumen de la cmara de aspiracin
El ruido de funcionamiento de la bomba se reduce as
considerablemente. Para obtener un llenado correcto hay que evitar
en las tuberas de aspiracin velocidades de aceite superiores a 2
m/seg. Las velocidades de salida no deben ser mayores que
5m/seg.
Son muy severos los requerimientos del control de la presin en
un sistema hidrulico. Esto puede ser sumariamente descrito de la
siguiente forma:
1) Limite de la presin de seguridad. Cada sistema hidrulico que
utilice
bombas de desplazamiento positivo debe poseer una vlvula de
alivio de seguridad que garantiza el alivio de un incremento
accidental, de la presin ms all del lmite fijado como presin de
trabajo. En muchos sistemas la vlvula de alivio de seguridad no es
normalmente un componente activo durante el ciclo de trabajo y en
ese caso ella est realizada mediante la forma una vlvula de alivio
de pistn directo.2) Establecimiento de la presin de trabajo. En
otros sistemas la vlvula de
alivio es un elemento importante de trabajo durante el ciclo
regular, manteniendo a un nivel preestablecido la presin del
circuito, Para esta funcin, se utilizan vlvulas de alivio
comandadas en forma piloto como vamos a describir en este tema.3)
Establecimiento de dos a ms presiones de trabajo: Muchas
mquinas
requieren variaciones y cambios del nivel de presin durante el
ciclo de su trabajo regular, para este propsito el alivio accionado
por piloto puede ser controlado en fama automtica por
accionamientos manuales o elctricos4) Otras mquinas requieren dos o
ms niveles da presin que deben ser
mantenidos al mismo tiempo. Para ello la vlvula reductora de
presin es utilizada a los efectos de obtener los niveles de presin
menores.5) En algunas instalaciones es necesario que la presin
generada por la
bomba sea aliviada completamente durante cierta parte del ciclo.
Esto generalmente se obtiene mediante el venteo de una vlvula de
alivio pilotada, por la aplicacin de una presin piloto o una vlvula
by- pass o por otros medios de descarga que veremos ms
adelante.
Vlvulas de alivio de accin directa Tal como observamos en la
figura una forma simple esta constituida por una esfera cargada por
un resorte. Varias formas de elementos de cierre pueden ser
realizados en reemplazo de la esfera y que pueden actuar como del
tipo de las vlvulas antiretorno Estas vlvulas de alivio de accin
directa deben ser nicamente como elementos de seguridad, su
funcionamiento y rendimiento son muy inferiores a las vlvulas de
alivio compensadas y pilotadas.
Las razones de su limitacin de funcionamiento podemos
enumerarlas de la siguiente forma: El valor diferencial existente
entre la presin de apertura y la presin de flujo total de la vlvula
es demasiado amplio, tal como podemos observarlo grfico
siguiente.
La accin ideal de una vlvula de alivio es la de aliviar el flujo
total generado por la bomba una vez que se ha llegado al limite de
presin fijado mediante la carga del resorte, desafortunadamente
esta condicin es prcticamente imposible de lograr. La presin de
ruptura esta definida por el valor de presin al cual el aceite
comienza a pasar del circuito principal al tanque. En las vlvulas
de alivio de accin directa, para que ello ocurra el sistema de
presin tiene que balancear la tensin de oposicin del resorte. La
compresin de este resorte hace que para obtener una apertura total
de la vlvula de alivio deba incrementarse la presin a valores no
aceptables en un circuito bien diseado. En el grfico anterior se
observa la performance de una tpica vlvula de alivio de accin
directa de construccin sumamente econmica, ella est ajustada a una
de ruptura de 1.000 lb/pulg y est conectada a un sistema que
entrega 20 galones por minuto hacia un cilindro hidrulico. Cuando
este cilindro alcanza el final de su carrera o se detiene por accin
de su trabajo, la presin se incrementa llegando al punto A del
diagrama al nivel e 1.000 lb/pulg. Cuando la carga se incrementa,
parte del aceite que entrega la bomba es descargado al tanque y el
cilindro desciende su velocidad de trabajo. Por ejemplo cuando la
presin est a 1.200 libras aproximadamente 10 galones por minuto son
entregados al cilindro movindose este a la mitad de la velocidad. A
1.500 libras el cilindro se detiene, recin a esa presin todo el
caudal de la bomba es enviado al tanque a travs de la vlvula de
alivio. De este hecho podemos deducir que no solo el cilindro ve
afectada su velocidad de desplazamiento sino, que se produce una
gran prdida de energa transformada en calor que concluye con el
sobrecalentamiento de todo el sistema hidrulico.
Vlvulas de alivio de operacin piloto Una vlvula de alivio
accionada por piloto est constituida por un vstago principal
cerrado en una cmara primaria donde se hace presente la presin
hidrulica, el nivel de regulacin es efectuado por una pequea vlvula
de alivio de accin directa ubicada sobre el cuerpo de la vlvula
principal y controlada a travs de un volante de ajuste. El resorte
principal es relativamente liviano, motivado porque el vstago
principal en cuestin est compensado en cualquier rango de presin a
que opera la vlvula, por otra parte puede ser montado en cualquier
posicin. Las ventajas de este tipo de vlvulas son las siguientes:
1) La diferencial existente entre la presin de ruptura y la de
alivio total es mucho menor que las vlvulas de accin directa. 2)
Tiene un rango de ajuste mucho ms extendido que las vlvulas de
accin directa. 3) Pueden ser controladas en forma remota para
cambiar y variar la presin de servicio como ser desviadas
totalmente permitiendo descargarla bomba libremente al tanque.
Accin de una vlvula de alivio operada por piloto. En la siguiente
figura se observa el diagrama de accin de una vlvula de este tipo.
De dicho diagrama surge que la diferencial de presin entre el punto
A (presin de ruptura) y el punto B (total alivio del sistema) es de
escasas 100 libras, lo que en el caso del circuito anterior
permitira la detencin absoluta del cilindro sobrecargado.
Principio de operacin de una vlvula de alivio operada por
piloto. En la siguiente figura se observa que el vstago principal
est cerrado contra el asiento inferior mediante la accin de un
resorte de oposicin. La presin proveniente de la bomba pasa a la
zona superior a travs de un pequeo orificio realizado en el vstago
de esta manera de ambas caras de las vlvula tenemos el mismo valor
de presin, El nivel de presin de la cmara superior es
mantenido mediante una pequea vlvula piloto de alivio directa
controlada por la perilla de ajuste , cuando la presin de
suministra supera el valor de ajuste del resorte de la vlvula
piloto el asiento de esta se retira permitiendo un drenaje de la
cmara superior del vstago principal hacia el tanque este drenaje
produce un descarga de presin que desbalancea el vstago principal
forzndolo a abrir el asiento , esta apertura del asiento es
proporcional a la diferencial de presin que existe, producindose
entonces el alivio de la bomba hacia el tanque manteniendo en el
circuito el valor de presin ajustado. En la parte A de la figura
siguiente se observa el smbolo completo de la vlvula de alivio, las
varias partes que corresponden a las reales en su construccin. En
la parte B se ve el smbolo simplificado de uso general en diagramas
de circuito, donde la lnea marcada como control remoto la distingue
de las vlvulas de alivio de accin directa.
Control remoto de vlvulas de alivio por accin piloto. La mayora
de las vlvulas de alivio operadas por piloto, llevan una conexin
externa de control que usualmente es de BSPT. Este orificio est
generalmente identificado por las letras RC, o por las palabras
VENT. Para que las condiciones de control remoto de la vlvula sean
adecuadas es aconsejable no montar los sistemas de control a ms de
10 pies de la vlvula principal. En la figura la vlvula 1, es una
pequea vlvula de alivio auxiliar instalada en un punto distante en
la vlvula de alivio principal y conectada al venteo mediante una
caera de 3/8. Esto permite al operador controlar remotamente la
presin de servicio.
La vlvula 1 esta conectada en paralelo con la vlvula 2 que es la
seccin piloto de la vlvula principal, y que a su vez est controlada
por un volante de ajuste. Cuando dos vlvulas de alivio se
encuentran conectadas en paralelo sobre la misma lnea de presin
hidrulica aquella que esta ajustada al valor ms bajo tiene
preponderancia sobra el circuito, es por ello que debemos tomar la
siguiente precaucin el volante de ajuste de la vlvula principal
debe estar colocando al valor ms elevado de presin deseada, de esta
forma la vlvula de control remoto 1 puede ser ajustada a valores ms
bajos que el anunciado precedentemente. La vlvula de control remoto
nunca podr ser ajustada a valores superiores fijados en la vlvula
2. Un uso comn del control remoto es la colocacin de vlvulas de
control remoto montadas en panel y conectadas mediante tuberas de
pequea seccin, a los efectos de que los operadores puedan efectuar
el control de un equipo a distancias. La mxima separacin de 3
metros es sugerida a causa de que con lneas ms largas la respuesta
tiende a ser perezosa, separaciones ms largas son posibles en
algunas instalaciones con adecuados tipos de vlvulas de alivio. En
la figura observamos un tipo de vlvula de alivio de accin directa
de tamao reducido fabricada para ser utilizada como control remoto
de una vlvula de alivio principal.
Venteo de una vlvula de alivio de accin piloto. En la figura la
vlvula 1 es una vlvula de venteo, puede ser instalada en forma
adyacente en la vlvula de alivio principal a una distancia de 3
metros.
Generalmente es una vlvula a miniatura de apertura manual,
accionada a solenoide, o por accin mecnica. Refirindonos al
diagrama la operacin es la siguiente: la conexin RC a la vlvula
principal es directa venteando ese orificio al tanque mediante
la vlvula exterior 1, se reduce la presin al valor O, entonces
el aceite proveniente de la bomba impulsa al vstago principal de la
vlvula de alivio hacia arriba y se produce una apertura libre de
descarga al tanque. El resorte principal que sostiene el vstago
principal cierra este a valores relativamente bajos similares a los
de tensin de una vlvula de retencin. Este valor crea una presin
remanente cuando la vlvula principal es venteada, valor que llega
segn las diferentes marcas de vlvulas al nivel de 15 a 75
lbs/pulg.2. La vlvula 1 puede ser una vlvula de dos vas
normalmente, o normalmente abierta dependiendo ello de las
condiciones en que vanos a utilizar el circuito, Usualmente una
vlvula normalmente abierta es preferida especialmente si es del
tiempo de accionamiento a solenoide. Reviendo la operacin de ventea
podemos decir: cuando la vlvula remoto 1 est cerrada la vlvula de
alivio funciona en sus condiciones normales coma si el orificio RC
estuviera taponado. Cuando la vlvula 1 se abre, se alivia la presin
de la cmara superior, provocando la apertura total de la vlvula de
alivio al tanque. Circuito de control remoto para vlvulas de alivio
operadas por piloto. En la figura siguiente se observa una
combinacin de venteo y reduccin de presin. La vlvula de control
remoto 1 puede ser accionada en forma manual a travs de un
solenoide. En su posicin central tiene la presin conectada a tanque
y la salida al cilindro, bloqueadas. Cuando el solenoide A se
energiza, la lnea de venteo se bloquea y la vlvula 3 funciona
normalmente como una vlvula de alivio. Cuando el solenoide 8 se
energiza, la conexin RC se conecta a la vlvula 2 asumiendo,
entonces, el circuito la presin ajustada en esta.
En la siguiente figura se observa un sistema de presiones
mltiples con la vlvula 1 en posicin central, la conexin RC est
bloqueada, y el sistema se encuentra operando al mximo valor de
presin ajustado en el volante de la vlvula principal 4. Cuando el
solenoide A B se energizan, la conexin RC se conecta a las vlvulas
de control remoto 2 3 que colocan el circuito a sus
correspondientes valores de ajuste.
El nmero de niveles de presin que se puede obtener de esta forma
es ilimitado, pero siempre el valor mximo de presin debe quedar
fijado en la vlvula 4. Vlvula by pass, vlvulas de secuencia y
descarga. La vlvula hidrulica by-pass, que observamos en las
ilustraciones, cumple propsitos generales en el control de la
presin de un circuito hidrulico, pueden operar como contrabalanceo,
secuencia, descarga y otras funciones requeridas por una vlvula de
dos vas operada. En la parte A de la siguiente figura vemos el
corte bsico de una vlvula de by-pass sin retencin incorporada para
el libre flujo en sentido inverso. Estas vlvulas se usan comnmente
para descarga de bombas, en estos casos el flujo es siempre de la
entrada a la salida, y nunca en direccin opuesta.
En la parte B se observa el corte bsico, con la adicin de una
vlvula de retencin incorporada. Su uso comn es el de secuencia a
contrabalanceo, cuando el flujo debe ser reverso durante una parte
del ciclo.
La vlvula de by-pass a vlvula de secuencia es una vlvula de dos
vas, normalmente cerrada y operada por piloto, el vstago compensado
a la presin se encuentra en posicin normalmente cerrada mediante la
accin de un resorte ajustable. La vlvula puede ser abierta mediante
la aplicacin de una presin piloto en el extremo del vstago opuesto
al resorte, la tensin de este determina el nivel de la presin
piloto necesaria para efectuar la apertura de la vlvula. SUMINISTRO
PILOTO. La vlvula esta realizada para recibir seales piloto
procedentes del suministro interno de presin o de un suministro
externo, conectado en la conexin piloto externo. Si el suministro
piloto es externo, el pasaje interno debe ser bloqueado mediante un
tapn en algunos modelos de vlvulas este pasaje interno es bloqueado
mediante la rotacin de la tapa inferior de la vlvula 180. El
suministro de presin piloto externo es empleado en los casos de
descarga de bomba y en cierto tipos de contrabalanceo. El pilotaje
interno es empleado en otros casos de contrabalanceo y para
aplicaciones de secuencia. Drenaje. Es necesario una especial
atencin para el venteo a drenaje de la cmara en la cual acta el
resorte del vstago principal de la vlvula by-pass a secuencia. La
cmara donde acta el resorte debe ser venteada aproximadamente a
presin atmosfrica, cuando el vstago se mueve el volumen de la cmara
del resorte vara, de esta forma necesitamos mantener esta cmara a
presin atmosfrica a los efectos de no interferir la accin del
vstago principal. Un drenaje externo es provisto en la vlvula y
debe ser conducido al tanque sin restricciones apreciable. En
muchos circuitos la cmara del resorte puede ser drenada hacia el
conducto de la salida principal de la vlvula y para obtener ello
podemos abrir el pasaje del drenaje interno que normalmente se
encuentra taponado. En muchos tipos de vlvulas puede obtenerse el
drenaje interno a externo mediante la simple rotacin de 180 de la
tapa superior, Podamos tomar como patrn para efectuar los drenajes
de una vlvula de secuencia o descarga el siguiente axioma: slo
podamos drenar internamente una vlvula de descarga o secuencia,
cuando su conexin principal de salida va dirigida al tanque.
Aplicaciones de la vlvula by pass. En la figura podemos observar un
sistema de presin alta y baja mediante el empleo de una bomba de
baja presin PF-1 y una de alta presin y pequeos volumen PF-2.
El circuito esta realizado para proveer un alto volumen de
aceite procedente de ambas bombas a baja presin, para producir el
rpido avance de un cilindro hasta el punto de
trabajo. Cuando se llegue a este punto la bomba PF-1 debe ser
automticamente descargada, empleando la vlvula by pass quedando
entonces aplicada toda la potencia del motor elctrico para mover la
bomba de alta presin PF-2. En este circuito la vlvula 1 es la by
pass, 2 es la vlvula de alivio del circuito y 3 es la vlvula de
retencin que asla ambas bombas. Para esta aplicacin la vlvula 1,
que alivia la bomba PF-1 es externamente pilotada desde la bomba
PF-2. Siendo que la salida principal de la vlvula 1 est
permanentemente conectada al tanque, ella est drenada internamente
tal como su smbolo. La presin a la cual la vlvula 1 descargar la
bomba al tanque es controlada mediante su volante de ajuste. La
accin de la vlvula 1 es diferente a la de la vlvula de alivio en
este circuito. Si empleramos una vlvula de alivio en reemplazo de
la vlvula 1, cuando la bomba PF-1 llegue al valor ajustado aliviar
la bomba PF-1 a ese valor permanente esto producir un calentamiento
como as tambin una demanda de potencia del motor elctrico.
Empleando una vlvula by-pass, cuando esta es descargada por la seal
piloto procedente de la otra bomba la bomba PF-1 es completamente
descargada y consume solamente la potencia necesaria para las
prdidas por friccin no generando calor en el sistema hidrulico. La
vlvula de retencin 3 en este circuito proviene a la bomba PF-2 de
la descarga cuando PF-1 est conectada al tanque. La vlvula 2 de
alivio cumple la funcin de regular la presin general del sistema.
En la figura observamos un cilindro hidrulico soportando un peso,
este debe ser contrabalanceado para prevenir su cada libre y
descontrolada cuando la vlvula direccional 2 es cambiada.
Si no se contrabalanceara el cilindro caera rpidamente por la
gravedad produciendo vaco ya que no podra ser satisfecha la demanda
mediante el caudal de la bomba. La vlvula 1 es la vlvula de
contrabalanceo conectada por piloto interno, y drenaje externo, su
volante es ajustado usualmente a una presin ligeramente superior
para soportar la carga sin la accin ido la bomba. Es neces