bomba - mormiranp

2009
OLEOHIDRÁULICA BÁSICA
F
ING. PABLO ISRAEL MORENO MIRANDA
UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO
19/09/2009
CAPÍTULO I
FUNDAMENTOS OLEOHIDRÁULICOSi
El estudio de la hidráulica concierne al empleo y características de los líquidos.
Desde tiempos primitivos el hombre ha usado fluidos para facilitar su tarea.
Los más antiguos vestigios históricos como las bombas y las norias eran
conocidos en las épocas más antiguas. Sin embargo, la rama de la hidráulica
que nos concierne sólo empezó a usarse en el siglo XVII. Basada en un
principio descubierto por el científico francés Pascalii, se refiere al empleo de
fluidos confinados para transmitir energía, multiplicando la fuerza y modificando
el movimiento.
La Ley de Pascal1, enunciada sencillamente, dice: la presión aplicada a un
fluido confinado se transmite íntegramente en todas las direcciones y
ejerce fuerzas iguales, actuando estas fuerzas normalmente a las paredes
del recipiente.
En la Fig. Izquierda, retrato del biólogo, matemático y físico francés PASCAL. En la fig.
Derecha, se explica como la fuerza ejercida en el émbolo transmite fuerzas equivalentes en
todas las direcciones.
1
BLAISE PASCAL (1623-1662).- Matemático, físico, filósofo y teólogo francés. Considerado el padre de
las computadoras. Sus primeros trabajos abarca ciencias naturales y aplicadas, estudió la teoría
matemática de la probabilidad. Investigó el concepto de fluidos, presión y vacío
2
Al aplicar una fuerza (peso de la persona) en el émbolo con un diámetro
relativamente pequeño, la fuerza ejercida en el émbolo transmite fuerzas
considerablemente mayores en todas las direcciones y hace que el émbolo que
sostiene al automóvil se desplace hacia arriba.
DEFINICION DE PRESION
Para determinar la fuerza total ejercida sobre una superficie es necesario
conocer la presión o fuerza sobre la unidad de área. Generalmente
expresamos esta presión en lb por pulgada cuadrada. Conociendo la presión y
la superficie sobre la cual se ejerce, se puede determinar fácilmente la fuerza
total.
𝑭𝒖𝒆𝒓𝒛𝒂 = 𝑷𝒓𝒆𝒔𝒊ó𝒏 𝐱 𝐀𝐫𝐞𝐚
LA TRANSMISION DE POTENCIA HIDRAULICA
Ahora puede definirse la hidráulica como un medio de transmitir energía
empujando un líquido confinado. El componente de entrada del sistema se
llama bomba; el de salida se denomina actuador.
BOMBA
TRABAJO
CARGA
Los accionadores pueden ser lineales. Como el cilindro mostrado, o rotativos,
como los motores hidráulicos.
3
BOMBA
CARGA
PISTON Y VASTAGO
Al tanque
El sistema hidráulico no es una fuente de potencia. La fuente de potencia es un
accionador primario2 que acciona la bomba. Podríamos preguntarnos por qué
no descartamos la hidráulica y acoplar el equipo mecánico directamente al
accionador primario? La respuesta reside en la versatilidad del sistema
hidráulico que tiene ventajas sobre los otros métodos de transmisión de
energía.
VENTAJAS DE LA HIDRÁULICA
VENTAJAS DE LA
HIDRÁULICA
VELOCIDAD
VARIABLE
2
REVERSIBILIDAD
PROTECCION
CONTRA
SOBRECARGAS
Un motor eléctrico u otro tipo de motor
4
TAMAÑOS
PEQUEÑOS
PUEDEN
BLOQUEARSE
Velocidad Variable
La mayoría de los motores eléctricos funcionan a una velocidad constante. El
actuador (lineal o rotativo) de un sistema hidráulico, sin embargo, puede
moverse a velocidades infinitamente variables, variando el suministro de la
bomba o usando una válvula de control de caudal.
VARIADOR DE
SUMINSTRO DE BOMBA
BOMBA
CONTROL DE CAUDAL
Reversibilidad
Pocos accionadores primarios son reversibles. Los que son reversibles,
generalmente deben desacelerarse hasta una parada completa antes de
invertirlos.
Un actuador hidráulico puede
movimiento, son problemas.
invertirse,
instantáneamente,
en
pleno
Una válvula direccional de 4 vías o una bomba reversible proporcionan el
control de la inversión, mientras una válvula limitadora de presión protege a los
componentes del sistema contra las presiones excesivas.
5
BOMBA
VALVULA DE
SEGURIDAD
VALVULA
DIRECCIONAL 4
VIAS
Protección contra las sobrecargas
La válvula limitadora de presión de un sistema hidráulico lo protege contra las
sobrecarga. Cuando la carga es superior al taraje de la válvula, el caudal de la
bomba se dirige al depósito limitando el par o la fuerza de salida. La válvula
limitadora de presión también proporciona el medio de ajustar una máquina
para un par o fuerza predeterminados, como en una operación de bloqueo.
Tamaños Pequeños
Los componentes hidráulicos, debido a su elevada velocidad y capacidad de
presión, puede proporcionar una potencia de salida elevada con pesos y
tamaños pequeños.
Puede bloquearse
El bloqueo de un motor eléctrico causa daños o funde el fusible. Igualmente,
las máquinas no pueden bloquearse bruscamente e invertirse su sentido sin
necesidad de arrancar de nuevo. Un actuador hidráulico, sin embargo, puede
quedar bloqueado sin que se produzca daños, al estar sobrecargado, y
arrancará inmediatamente en cuanto disminuya la carga. Durante el bloqueo, la
6
válvula de seguridad simplemente dirige el caudal de la bomba al depósito. La
única pérdida experimentada es la potencia que se disipa inútilmente.
ACEITE HIDRAULICO
Todos los líquidos son esencialmente incomprensibles y, por consiguiente,
transmiten la energía instantáneamente en un sistema hidráulico. La palabra
hidráulica, de hecho, viene del griego Hydor que significa agua y Aulos que
significa tubo. La primera prensa hidráulicas y algunas prensas todavía
utilizadas hoy en día emplean el agua como elemento de transmisión. Sin
embargo, el líquido más generalmente usado en los sistemas hidráulicos es el
aceite procedente del petróleo. El aceite transmite la energía fácilmente porque
es muy poco compresible. Se comprime aproximadamente 0.5% a una presión
de 1000 psi, lo que es despreciable en la mayoría de los sistemas. La
propiedad más destacable del aceite es su capacidad lubricante. El fluido
hidráulico debe lubricar la mayor parte de las piezas móviles de los
componentes.
TRANSMITE
ENERGIA MUY
FACIL
CAPACIDAD
LUBRICANTE
ACEITE
HIDRAULICO
USADO EN
SISTEMAS
HIDRAULICOS
7
POCO
COMPRESIBLE
CAPITULO II
PRINCIPIOS Y LEYES FUNDAMENTALES DE LA
OLEOHIDRÁULICAiii




Los aceites no son compresibles (pero sí elásticos)
Los aceites transmiten en todas las direcciones la presión que se les
aplica (Principio de Pascal).
Los aceites toman la forma de la tubería o aparato, por lo que circulan
en cualquier dirección.
Los aceites permiten multiplicar la fuerza aplicada. Las fuerzas aplicadas
y transmitidas son directamente proporcionales a sus superficies.
El Pistón se eleva. El
peso del pistón es de 100
lb y tiene un área de 10
pulgadas cuadradas
Se aplica un empuje de
10 lb sobre una pulgada
cuadrada de pistón
Se desarrolla una presión de
10 lb por pulgada cuadrada en
todo el recipiente
PRENSA HIDRÁULICA
ACEITE
CAUDAL
Es la cantidad de aceite que se desplaza por una tubería o aparato en un
tiempo determinado.
8
𝑄 =𝐴𝑥𝑉
Siendo,
Q = Caudal
A = Área de la tubería
V = Velocidad
En hidráulica el caudal se da en litros por minuto (l/min), el área en centímetros
cuadrados (cm2) y la velocidad en metros por segundo (m/seg).
GOLPE DE ARIETE
El fenómeno de golpe de ariete se produce cuando el aceite hidráulico sufre
una parada o cambio brusco, como por ejemplo cuando se cierra de golpe una
válvula, grifo o se para una bomba.
El frenado del aceite provoca una onda de choque que se propaga aguas
arriba3. El buen diseño de una instalación hidráulica evita los golpes en ariete,
cuyas consecuencias son muy perjudiciales para una instalación hidráulica.
Las consecuencias son sobrepresiones locales que hacen aumentar la presión
hasta un 50% fatigando los materiales (tuberías, aparatos, etc.)
ACEITE
HIDRÁULICO
SOBREPRESIONES
LOCALES
PARADA
BRUSCA
3
Del aparato o tubería cerrado hacia la bomba
9
COMO SE CREA LA PRESIÓN
La presión se origina cuando el caudal encuentra resistencia. La resistencia
puede ser debida a la carga del actuador o a una restricción (u orificio) en las
tuberías.
DERIVACIONES DE CAUDAL
Una característica inherente a los líquidos es que siempre toman el camino de
menor resistencia. Así pues, cuando las derivaciones ofrecen resistencias
diferentes, la presión aumenta solamente en la cantidad requerida para circular
por el camino de menos resistencia.
Cuando el caudal de salida de una bomba se dirige hacia dos actuadores, el
actuador que necesita menos presión es el primero en moverse. Como es difícil
equilibrar las cargas exactamente, los cilindros que deben moverse juntos se
suelen conectar mecánicamente.
EL LIQUIDO ENTRA POR
LA TUBERIA
EN ESTA DERIVACIÓN LA PRESIÓN VA A
DISMINUIR, YA QUE LA SECCIÓN DE LA
TUBERÍA ES MAS GRANDE
EN ESTA DERIVACIÓN LA PRESIÓN VA A
AUMENTAR, YA QUE LA SECCIÓN DE LA
TUBERÍA ES MAS PEQUEÑA
10
CAIDA DE PRESION A TRAVES DE UN ORIFICIO
Un orificio es un paso restringido en una línea hidráulica o componente, usado
para controlar el caudal o crear una diferencia de presión (caída de presión).
Para que el aceite fluya a través de un orificio, tiene que haber una diferencia
de presión o caída de presión a través del orificio4. Inversamente, si no hay
caudal no hay diferencia de presión a través del orificio
A
3. NO HAY
CIRCULACION DEL
LIQUIDO
1. SI LA PRESION
EN ESTE PUNTO
2. ES LA MISMA
QUE AQUI
ORIFICIO
5. HACE CIRCULAR EL
ACEITE POR EL ORIFICIO
B
4. UN AUMENTO DE
PRESION AQUI
6. EXISTE UNA CAIDA DE
PRESION EN ESTA
SECCIÓN
C
7. AQUÍ LA CAIDA DE
PRESION DISMINUYE, YA
QUE EL CAUDAL
DISMINUYE
9. SI SE BLOQUEA EL
ORIFICIO DE SALIDA NO
HAY CIRCULACION DE
ACEITE
D
8. LA PRESION ES LA
MISMA EN AMBOS
LADOS DEL ORIFICIO
4
El término “caída” procede del hecho de que la presión inferior siempre está más abajo en el sentido
de la corriente.
11
Consideremos las condiciones relativas al orificio en la figura anterior literal A.
La presión es igual a ambos lados; por consiguiente, el aceite es impulsado de
igual manera en ambos sentidos y no hay caudal. En la vista B, la presión más
elevada impulsa más fuertemente hacia la derecha y el aceite y el aceite fluye
por el orificio. En la vista C también hay una caída de presión; sin embargo, el
caudal es menor que en B porque la diferencia de presión es menor. Un
aumento de la caída de presión a través de un orificio siempre estará
acompañado por un aumento del caudal.
Si el caudal se bloquea más allá de un orificio (Vista D), la presión se igualará
inmediatamente a ambos lados del orificio de acuerdo con la Ley de Pascal.
Este principio es esencial para el funcionamiento de muchas válvulas de control
de presión de dos etapas (equilibradas hidráulicamente).
LA PRESIÓN INDICA LA CARGA DE TRABAJO
La presión se genera por la resistencia de una carga. Se observó
que la presión es igual a la fuerza de la carga dividida por la
superficie del pistón.
Podemos expresar esta relación mediante la fórmula general:
𝑷 = 𝑭/𝑨
En esta relación:
P es la presión en (libras por pulgada cuadrada) (bar)
F es la fuerza en (libras) (newtons)
A es la superficie en (pulgadas cuadradas plg2) (centímetros cuadrados cm2)
LA FUERZA ES PROPORCIONAL A LA PRESIÓN Y A LA
SUPERFICIE
Cuando un cilindro hidráulico se usa para mantener una carga, la fuerza que
aplica puede calcularse como sigue:
𝐅=𝐏𝐱𝐀
12
CALCULO DE LA SUPERFICIE DEL PISTON
La superficie de un pistón puede calcularse mediante la fórmula:
2
𝜋
𝑥𝑑
𝐴=4
Donde:
A es la superficies en in2 (cm2)
D es el diámetro del pistón en in (cm)
VELOCIDAD DE UN ACTUADOR
La velocidad de desplazamiento del vástago de un cilindro o de giro de un
motor depende de su tamaño y del caudal que se le envía. Para relacionar el
caudal con la velocidad, consideremos el volumen que requiere el actuador
para obtener un desplazamiento determinado.
TAMAÑO
CAUDAL
VELOCIDAD
DE UN
ACTUADOR
En la figura siguiente se puede observar que los dos cilindros tienen el mismo
volumen. Sin embargo, el pistón del cilindro B se desplaza dos veces más
rápidamente que el del cilindro A porque el caudal de la bomba se ha doblado.
Si cualquiera de los dos cilindros tuviese un diámetro más pequeño, sería más
rápido, o si su diámetro fuese mayor sería menos rápido, suponiendo,
naturalmente, que el suministro de la bomba fuese constante.
13
BOMBA
A
60 SEGUNDOS
BOMBA
B
30 SEGUNDOS
VELOCIDAD EN LAS TUBERIAS
La velocidad a que circula el fluido hidráulico a través de las líneas es una
consideración de diseño importante, debido al efecto de la velocidad sobre el
rozamiento. Generalmente las velocidades recomendadas son:
Línea de aspiración de la bomba:
2 a 4 pies por segundo
(0.61 a 1.22 metros por segundo)
Línea de trabajo:
7 a 20 pies por segundo
14
(2.13 a 6.10 metros por segundo)
A este respecto, hay que observar que:
1. La velocidad del aceite varía inversamente al cuadrado del diámetro
interior del tubo.
2. Generalmente el rozamiento de un líquido que circula por una línea es
proporcional a la velocidad. Sin embargo, si el régimen fuese turbulento,
el rozamiento variaría con el cuadrado de la velocidad
MATERIAL DE
TUBERIA
ROZAMIENTO
VELOCIDAD QUE
CIRCULA EL FLUIDO
El rozamiento origina turbulencia en la corriente de aceite y opone resistencia
al caudal, lo que da como resultado un aumento de caída de presión en la
línea. Se recomienda una velocidad muy baja para la línea de aspiración de la
bomba porque allí la caída de presión admisible es muy pequeña.
15
ROZAMIENTO
TURBULENCIA
OPOSICION
DE
RESISTENCIA
A CAUDAL
CAIDA DE PRESION EN LINEA
SELECCIÓN DEL DIAMETRO DE LA TUBERÍA
Se dispone de dos fórmulas para calcular el diámetro y la velocidad en las
tuberías hidráulicas.
Si se conocen el caudal en gmp (lmp)5 y la velocidad deseada, se utiliza esta
relación para hallar la sección interior:
𝑔𝑝𝑚 𝑥 0.3208
𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 (𝑒𝑛 𝑝𝑖𝑒𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜)
𝑙𝑝𝑚 𝑥 16.667
𝑚𝑚
𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 (𝑒𝑛
)
𝑠𝑒𝑔
TAMAÑOS NOMINALES DE LAS LÍNEAS
Los tamaños nominales en pulgadas (mm) de las tuberías, tubos, etc., no son
indicadores precisos del diámetro interior.
En las tuberías normalizadas, el diámetro interior real es mayor que el tamaño
nominal citado. Para seleccionar un tubo se necesita una tabla que indique los
diámetros interiores reales.
5
Galones por minuto, litros por minuto
16
TRABAJO Y POTENCIA
Cuando se ejerce una fuerza a lo largo de una distancia, se realiza un trabajo:
𝑻𝒓𝒂𝒃𝒂𝒋𝒐 = 𝒇𝒖𝒆𝒓𝒛𝒂 𝒙 𝒅𝒊𝒔𝒕𝒂𝒏𝒄𝒊𝒂
La fórmula precedente para el trabajo no toma en consideración con qué
velocidad se realiza dicho trabajo. El trabajo realizado por unidad de tiempo se
denomina POTENCIA.
Para visualizar la potencia pensemos en la operación de subir unas escaleras.
El trabajo realizado es el peso del cuerpo multiplicado por la altura de las
escaleras. Pero es más difícil correr por las escaleras que andar. Cuando se
corre se hace el mismo trabajo pero a mayor velocidad.
La persona realiza una potencia al subir esta rampa.
Entonces, la potencia es igual:
𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑥 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎
𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜
POTENCIA EN UN SISTEMA HIDRÁULICO
En un sistema hidráulico la velocidad queda indicada por el caudal, en gpm
(lpm), y la fuerza, por la presión. De esta manera podemos expresar la potencia
hidráulica como sigue:
17
𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑥 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛
𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜
Potencia = presión x caudal
18
CAPITULO III
BOMBAS HIDRAULICAS
BOMBAS
HIDRAULICAS
DESPLAZAMIENTO
CAUDAL EN GPM
(LPM)
CAUDAL EN GPM
(LPM)
RENDIMIENTO
VOLUMÉTRICO
VALORES
NOMINALES
DE LA PRESIÓN
PRESION
TIPOS DE
BOMBAS
ENGRANAJES
DE PALETAS
DE PISTONES
ENGRANAJES
EXTERNOS
CAMBIO DE
SENTIDO DE GIRO
BOMBAS DE
PISTONES
RADIALES
BOMBA DE PALETA
TIPO CUADRADO
BOMBAS DE
PISTONES AXIALES
En un sistema hidráulico, la bomba convierte la energía mecánica de rotación
en energía hidráulica (potencia hidráulica) impulsando fluido al sistema.
Todas las bombas funcionan según el mismo principio, generando un volumen
que va aumentando en el lado de entrada y disminuyendo en el lado de salida;
pero los distintos tipos de bombas varían mucho y métodos y sofisticación.
Una bomba hidráulica tiene que cumplir dos misiones: mover líquido y obligarle
a trabajar.
19
OBLIGARLE
A
TRABAJAR
MOVER
LIQUIDO
BOMBA
HIDRAULICA
La definiremos como un mecanismo capaz de convertir la fuerza mecánica en
hidráulica. Todas las bombas desplazan líquido, pero este desplazamiento
puede ser positivo o no positivo. Las no hidráulicas tienen un desplazamiento
no positivo6. Las hidráulicas producen un caudal de líquido, y además lo
sostienen, contra la resistencia opuesta a su circulación. O sea, que el líquido
que sale de la boca de la bomba es apoyado por ésta, entonces se dice que el
desplazamiento es positivo. Las bombas de los circuitos hidráulicos son
positivas.
6
Por ejemplo rueda de cangilones
20
DESPLAZAMIENTO
La capacidad de caudal de una bomba puede expresarse con el
desplazamiento por revolución o con el caudal en gpm (l/min).
El desplazamiento es el volumen de líquido transferido en una revolución. Es
igual al volumen de una cámara de bombeo multiplicado por el número de
cámaras que pasan por el orificio de salida durante una revolución de la
bomba. El desplazamiento se expresa en pulgadas cúbicas por revolución
(centímetros cúbicos por revolución).
CAUDAL EN GPM (LPM)
Una bomba viene caracterizada por su caudal nominal en gpm (litros por
minuto); por ejemplo, 10 gpm (37,85 lpm). En realidad puede bombear más
caudal en ausencia de carga y menos a su presión de funcionamiento nominal.
Su desplazamiento es también proporcional a la velocidad de rotación.
1. Bombas de caudal constante (fijo). Estas bombas entregan siempre el
mismo volumen de aceite variando al variar la velocidad de giro de la
bomba.
2. Bombas de caudal variable. Varían el volumen de aceite entregado,
aunque no varíen su velocidad de giro. En estas bombas se varía el flujo
(caudal) para mantener constante la presión.
CAUDAL
FIJO
CAUDAL
VARIABLE
CAUDAL
DE UNA
BOMBA
21
En el sistema abierto varía la presión pero se mantiene constante el flujo. En el
sistema cerrado varía el flujo y se mantiene constante la presión.
Normalmente sistema abierto (bomba de caudal constante). Sistema cerrado
(Bomba de caudal variable).
RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO
En teoría, una bomba suministra una cantidad de fluido igual a su
desplazamiento por ciclo o revolución. En realidad el desplazamiento efectivo
es menor, debido a las fugas internas. A medida que aumenta la presión, las
fugas desde la salida de la bomba hacia la entrada o al drenaje también
aumentan y el rendimiento volumétrico disminuye.
RENDIMIENTO
VOLUMÉTRICO
FUGAS
INTERNAS DE
BOMBA
El rendimiento volumétrico es igual al caudal real de la bomba dividido por el
caudal teórico. Se expresa en forma de porcentaje.
𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 𝑅𝑒𝑎𝑙
𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 𝑇𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜
Presión
Además del caudal se debe conocer la presión máxima que es capaz de
soportar la bomba entregando el caudal especificado. Los fabricantes dan
también presiones puntas.
22
VALORES NOMINALES DE PRESIÓN
Una bomba viene caracterizada por su presión máxima de funcionamiento y su
caudal de salida a una velocidad de rotación dada.
La presión nominal de una bomba viene determinada por el fabricante y está
basada en una duración razonable en condiciones de funcionamiento
determinadas. Es importante observar que no existe un factor de seguridad
normalizado correspondiente a esta estimación. Trabajando a presiones más
elevadas se puede reducir la duración de la bomba o causar daños serios.
TIPOS DE BOMBAS
Hay dos tipos básicos de bombas. El primero es la bomba de desplazamiento
no positivo. Este diseño de bomba se utiliza principalmente para transmitir
fluidos donde la única resistencia que se encuentra es la creada por el peso del
mismo fluido y el rozamiento.
La mayoría de las bombas de desplazamiento no positivo funcionan mediante
la fuerza centrífuga, según la cual el fluido, al entrar por centro del cuerpo de la
bomba, es expulsado hacia el exterior por medio de un impulsor que gira
rápidamente. No existe ninguna separación entre los orificios de entrada y de
salida, y su capacidad de presión depende de la velocidad de rotación.
23
Aunque estas bombas suministran un caudal uniforme y continuo, su
desplazamiento disminuye cuando aumenta su resistencia.
DESPLAZAMIENTO
RESISTENCIA
Es de hecho, posible bloquear completamente el orificio de salida en pleno
funcionamiento de bomba. Por ésta y otras razones la bombas de
desplazamiento no positivo se utilizan muy pocas veces en los sistemas
hidráulicos modernos.
Las bombas de desplazamiento positivo son las más utilizadas en los sistemas
hidráulicos industriales. Estas bombas suministran al sistema una cantidad
determinada de flujo, en cada carrera, revolución o ciclo. Este tipo de bomba se
clasifica como un desplazamiento fijo o variable.
Las bombas de desplazamiento fijo tienen un desplazamiento que no pueden
cambiarse sin cambiar ciertos componentes. No obstante, en algunos tipos es
posible hacer variar el tamaño de la cámara de bombeo utilizando controles
externos. Estas bombas se denominan bombas de desplazamiento variable.
En ciertas bombas de paletas y de pistones, el desplazamiento puede variarse
desde cero hasta el máximo. Algunas pueden invertir su caudal cuando el
control pasa por la posición central o neutra.
Las bombas más utilizadas en los sistemas oleohidráulicos son las bombas de
engranajes, de paletas y de pistones.
24
BOMBAS DE ENGRANAJES
Una bomba de engranajes suministra un caudal transportando el fluido entre
los dientes de los engranes bien acoplados. Uno de los engranes es accionado
por el eje de la bomba y hace girar al otro. Las cámaras de bombeo, formadas
entre los dientes de los engranajes, están cerradas por el cuerpo de la bomba y
por placas laterales o también conocidos como platos de presión, por lo general
de bronce.
Las bombas de engranajes no están equilibradas hidráulicamente debido a que
la alta presión en el orificio de salida impone una carga no equilibrada sobre los
engranajes y rodamientos. Rodamientos grandes incorporados en este diseño
equilibran estas cargas.
Bombas de Engranajes Externos
Cuando los dientes engranan, se crea un vacío parcial en la entrada, aspirando
fluido en las cámaras formada entre los dientes. Estas cámaras transportan el
fluido por la parte exterior de los engranajes, donde es impulsado fuera cuando
los dientes engranan otra vez a la salida.
Cuando los dientes engranan, el fluido que está en la cámara desarrolla un
nivel elevado de presión. Unas muescas de descompresión mecanizadas en
las placas laterales descomprimen este fluido. El fluido a presión se canaliza en
una ranura para lubricar los cojinetes.
Estas bombas están disponibles en versiones simples, múltiples o de eje
pasante. La bomba pasante es una bomba simple con una superficie auxiliar de
25
montaje de acoplamiento en la tapa trasera. Con estos accesorios pueden
montarse otras bombas y accionarlas en tándem
La versión doble lleva dos bombas simples, cada uno con su orificio de salida,
compartiendo un orificio y un eje de entrada comunes. Una bomba doble puede
alimentar dos circuitos hidráulicos por separado o suministrar a un solo circuito
con un caudal mayor.
Las unidades múltiples están formadas por dos o más secciones de bombas
asociadas por un eje de entrada común. Las bombas dobles llevan un solo
orificio común de entrada, mientras que las bombas triples y cuádruples llevan
solamente un orificio de entrada menos que el número total de secciones.
Todos los orificios de entrada están unidos internamente y cada sección de
bomba lleva una salida separada. Las bombas múltiples ahorran gasto de
instalación y espacio y presenta también menos oportunidades de fugas.
Cuando se utilizan configuraciones de bombas múltiples con bombas de
desplazamientos distintos deben tenerse en cuenta ciertas limitaciones. La
velocidad más elevada viene limitada por la velocidad más baja de la
combinación. La velocidad más baja viene limitada por la más elevada de las
velocidades bajas de la combinación.
Cuando se combinan los caudales de salida, el límite de presión viene dado por
el nivel más bajo de presión de la combinación.
26
BOMBAS DE PALETAS
El principio de funcionamiento de una bomba de paletas está conformado por
un rotor ranurado que está acopado al eje de accionamiento y gira dentro de un
anillo ovalado. Dentro de las ranuras del rotor están colocadas las paletas, que
siguen la superficie interna del anillo cuñado el rotor gira.
Generalmente se requiere de una velocidad mínima de 600 rpm en el arranque
para que la fuerza centrífuga y la presión aplicada en la parte inferior de las
paletas las mantengan apoyadas contra el anillo. Las cámaras de bombeo se
forman entre las paletas rotor anillo y las dos placas laterales.
PLACAS
LATERALES
PALETAS
ROTOR
ANILLO
CAMARAS DE
BOMBEO
27
Debido a que el anillo y el rotor son concéntricos, las cámaras van aumentando
de tamaño, creando un vacío parcial que aspira un fluido por el orificio de
entrada. Cuando pasan por el centro, estas cámaras van disminuyendo de
tamaño, impulsando el fluido hacia la salida. El desplazamiento de la bomba
depende de la anchura del anillo y del rotor y de la distancia que la paleta
puede extenderse desde la superficie del rotor a la del anillo.
ANCHURA
DEL ANILLO
DESPLAZAMIENTO
DE LA BOMBA
DISTANCIA DE
PALETA DESDE
ROTOR AL
ANILLO
ANCHURA
DE ROTOR
El contacto entre la superficie interna del anillo y la punta de las paletas
significa que ambos están sometidos al desgaste. Para mantener un grado de
contacto, las paletas salen más de sus ranuras cuando se desgastan.
Las bombas de paletas cubren la zona de caudales pequeños y medios con
presiones de funcionamiento hasta de 3000 psi (206.82 Bar). Son fiables, de
rendimiento elevado, y de fácil mantenimiento. Además, tienen un bajo nivel
sonoro y larga duración.
La mayoría de las bombas de paletas de desplazamiento fijo construidas hoy
en día utilizan el conjunto equilibrado. Esta configuración permite utilizar dos
conjuntos de orificios internos de lados opuestos del rotor que están
conectados mediante pasajes dentro del cuerpo. Debido a que lo agujeros
están separados entre sí 180 grados las fuerzas de presión sobre el rotor se
cancelan, evitándose así, las cargas laterales sobre el eje y los cojinetes.
28
Cambio de sentido de giro
Otra modificación que se utiliza algunas veces, es invertir la dirección de
rotación del eje sin cambiar la dirección del caudal dentro de la bomba.
Se vuelve a posicionar el anillo de forma que su diámetro mayor está girando
90 grados con relación a su posición original. Esto permite que las cámaras de
bombeo aumenten de tamaño cuando pasen por el orificio de entrada y
disminuyan cuando pasan por salida. El caudal que atraviesa la bomba no
vacía, aun cuando se haya invertido la rotación del eje.
Bombas de paletas tipo cuadrado
Estas bombas están equilibradas hidráulicamente y son de desplazamiento
constante. El conjunto rotativo o cartucho está formado por un anillo (colocado
entre el cuerpo de la bomba y la tapa), un rotor, doce paletas, y una placa de
presión fijada por un muelle. El orificio de entrada se encuentra en el cuerpo de
la bomba y el de salida en la tapa, que puede ser montada en cuatro
posiciones distintas para conveniencias de montaje.
29
Bombas de paletas de alto rendimiento
Esta serie de bombas tienen una capacidad de presión de 2500 psi y velocidad
de 1800 rpm que las anteriores. El funcionamiento es el mismo que el de las
bombas de tipo cuadrado, exceptuando algunas diferencias importantes.
Bombas de paletas de desplazamiento variable
Este tipo de bomba tiene todas las características de las bombas de paletas
equilibradas, incluyendo las dos acciones de bombeo por revolución lo que la
convierte en una unidad más compacta.
Aunque solo hay un rotor, hay dos placas, montadas lateralmente, en cada una
de sus ranuras que giran en su propio anillo excéntrico. En efecto, hay dos
bombas en un cuerpo. Cuando los dos anillos, que pueden girar a 90 grados,
uno con relación al otro, están alineados, los dos elementos de bombeo actúan
conjuntamente para dar el caudal máximo.
BOMBAS DE PISTONES
Todas las bombas de pistones funcionan según el principio de que un pistón,
moviéndose alternativamente dentro de un orificio, aspirará fluido al retraerse y
lo expulsará en su carrera hacia adelante. Los dos diseños básicos son
radiales y axiales, ambos están disponibles con desplazamiento fijo y variable.
30
Una bomba radial tiene los pistones dispuestos radialmente en un bloque de
cilindros o barrilete, mientras que en las unidades axiales, los pistones son
paralelos entre sí y con el eje del barrilete.
Características de funcionamiento
Las bombas de pistones son unidas muy eficientes y están disponibles en una
amplia variedad de tamaños, desde desplazamientos muy pequeños hasta muy
elevados. La mayoría de ellas pueden funcionar con presiones entre 1500 a
3000 psi, aunque algunos modelos pueden llegar a presiones muy elevadas.
Bombas de pistones Radiales
En una bomba radial, el bloque de cilindros gira sobre un pivote estacionario y
dentro de un anillo circular o rotor. A medida que el bloque va girando, la fuerza
centrífuga, la presión hidráulica o alguna forma de acción mecánica, obliga a
los pistones a seguir la superficie interna del anillo, que es excéntrico con
relación al bloque de cilindros. Al tiempo que los pistones se desplazan
alternativamente en sus cilindros, los orificios localizados en el anillo de
distribución les permiten aspirar fluido cuando se mueven hacia a fuera y
descargarlo cuando se mueven hacia adentro.
31
Bombas de pistones axiales
En las bombas de pistones en línea, el conjunto de los cilindros y el eje de
accionamiento tiene la misma línea central y los pistones se mueven
alternativamente en sentido paralelo al eje.
32
CAPITULO IV
ACTUADORES HIDRAULICOS
El enfoque de este capítulo es sobre el elemento de salida o actuador, un
dispositivo que transforma la energía hidráulica en energía mecánica.
ENERGIA
HIDRAULICA
ENERGIA
MECANICA
ACTUADOR
HIDRAULICO
CILINDROS
Los cilindros son actuadores lineales, lo que significa que la salida de un
cilindro es un movimiento o fuerza en línea recta. La función más importante de
un cilindro hidráulico es convertir la potencia hidráulica en potencia mecánica
lineal.
33
TIPOS DE CILINDROS
Hay dos tipos de cilindros incluyendo los de simple y de doble efecto. Las
características de diseño de los tipos más corrientes de exponen a
continuación.
Cilindro Simple Efecto
A este cilindro se le aplica presión solamente en un extremo. El extremo
opuesto se comunica a tanque.
Cilindro Buzo
El cilindro buzo es quizás el actuador más sencillo. Tiene sólo una cámara de
fluido y ejerce fuerza únicamente en una dirección. La mayoría se montan
verticalmente y el vástago entra debido a la fuerza de la gravedad que actúa
sobre la carga. Prácticos para carreras largas, este tipo de cilindros se utiliza
en ascensores, prensas y elevadores de automóviles.
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CARGA
CARGA
SIMBOLO
DESDE LA BOMBA
AL TANQUE
ENTRADA
SALIDA
Cilindro Telescópico
La mayoría de los cilindros telescópicos son de simple efecto. Estos cilindros
van equipados con una serie de segmentos de vástago tubulares en serie
denominados camisas. Estas camisas funcionan conjuntamente para
suministrar una carrera de trabajo más larga que la que pueda conseguirse en
un cilindro normalizado. Se utilizan de 3 a 5 camisas. Se ejerce la carga
máxima cuando el cilindro está colapsado.
CARGA
CARGA
DESDE LA BOMBA
SALIDA
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DESDE AL TANQUE
ENTRADA
Retorno por muelle
Se considera que este cilindro es de simple efecto. La presión aplicada por el
orificio de la tapa comprime el muelle cuando el vástago se extiende. Al
remover la presión, el muelle hace entrar al vástago.
Cilindro de Doble Efecto
El cilindro de doble efecto es el tipo más corriente utilizado por la industria. La
presión hidráulica puede aplicarse en cualquiera de los dos orificios,
suministrando potencia cuando el vástago entra o sale.
CARGA
CARGA
DESCARGA
AL TANQUE
DESDE LA
BOMBA
DESDE LA
BOMBA
SALIDA DEL
VASTAGO
DESCARGA
AL TANQUE
ENTRADA DEL
VASTAGO
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Cilindro básico de doble efecto
La mayoría de los cilindros que se están utilizando actualmente son cilindros
básicos de doble efecto. Estos cilindros también se denominan cilindros
diferenciales porque presentan áreas distintas expuestas a la presión durante
las carreras de entrada y salida del vástago. Esta diferencia es debida a la
sección recta del vástago que reduce el área bajo presión durante su entrada.
El vástago sale más despacio de lo que entra porque se requiere más fluido
para llenar el área mayor del pistón. No obstante, se puede ejercer una fuerza
superior porque la presión actúa sobre el área total del pistón.
LLENADO
DE AREA
DE PISTON
VELOCIDAD
DEL
VASTAGO
AREA
TOTAL DEL
PISTON
Cuando el vástago entra, el mismo caudal procedente de la bomba hace que
este se mueva más de prisa porque el caudal procedente de la bomba hace
que este se mueva más de prisa porque el caudal necesario es más pequeño.
Con la misma presión del sistema, la fuerza máxima ejercida por el cilindro es
también menor porque también lo es el área bajo presión.
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INDICE
Contenido
CAPÍTULO I .................................................................................................................................... 2
FUNDAMENTOS OLEOHIDRÁULICOS......................................................................................... 2
DEFINICION DE PRESION ....................................................................................................... 3
LA TRANSMISION DE POTENCIA HIDRAULICA ....................................................................... 3
VENTAJAS DE LA HIDRÁULICA ............................................................................................... 4
ACEITE HIDRAULICO .............................................................................................................. 7
CAPITULO II ................................................................................................................................... 8
PRINCIPIOS Y LEYES FUNDAMENTALES DE LA OLEOHIDRÁULICA ............................................. 8
CAUDAL ................................................................................................................................. 8
GOLPE DE ARIETE .................................................................................................................. 9
COMO SE CREA LA PRESIÓN ................................................................................................ 10
DERIVACIONES DE CAUDAL ................................................................................................. 10
CAIDA DE PRESION A TRAVES DE UN ORIFICIO ................................................................... 11
LA PRESIÓN INDICA LA CARGA DE TRABAJO ....................................................................... 12
La presión se genera por la resistencia de una carga. Se observó que la presión
es igual a la fuerza de la carga dividida por la superficie del pistón. ....................... 12
Podemos expresar esta relación mediante la fórmula general: ................................ 12
𝑷 = 𝑭/𝑨.............................................................................................................................. 12
LA FUERZA ES PROPORCIONAL A LA PRESIÓN Y A LA SUPERFICIE ...................................... 12
CALCULO DE LA SUPERFICIE DEL PISTON ............................................................................ 13
VELOCIDAD DE UN ACTUADOR ........................................................................................... 13
VELOCIDAD EN LAS TUBERIAS ............................................................................................. 14
TAMAÑOS NOMINALES DE LAS LÍNEAS............................................................................... 16
TRABAJO Y POTENCIA.......................................................................................................... 17
POTENCIA EN UN SISTEMA HIDRÁULICO ............................................................................ 17
CAPITULO III ................................................................................................................................ 19
BOMBAS HIDRAULICAS ........................................................................................................... 19
DESPLAZAMIENTO ............................................................................................................... 21
CAUDAL EN GPM (LPM)....................................................................................................... 21
RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO ............................................................................................ 22
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VALORES NOMINALES DE PRESIÓN..................................................................................... 23
TIPOS DE BOMBAS............................................................................................................... 23
CAPITULO IV ................................................................................................................................ 33
ACTUADORES HIDRAULICOS ................................................................................................... 33
CILINDROS ........................................................................................................................... 33
INDICE.................................................................................................................................. 38
BIBLIOGRAFÍA ...................................................................................................................... 39
BIBLIOGRAFÍA
i
ROSERO M, “OLEOHIDRÁULICA BÁSICA”, 2005, p01
http://es.wikipedia.org/wiki/Blaise_Pascal
iii
ROSERO M, “PRINCIPIOS Y LEYES FUNDAMENTALES DE LA OLEOHIDRÁULICA”,2005,p8
ii
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