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CAPÍTULO 5.1: TRANSMISIONES CONCEPTOS BÁSICOS
HIDROSTÁTICAS.
5.1.1.- Introducción.
La transmisión de energía por medio de un fluido, con el fin de usarla en las más variadas máquinas agrícolas, se ha convertido en un sistema insustituible por razones de simplicidad constructiva, de eficacia y de precio. Las dos posibles formas de utilización de las transmisiones de energía mediante un fluido son: • Transmisiones hidrostáticas. • Transmisiones hidrodinámicas.
Las transmisiones hidrostáticas utilizan caudales reducidos de fluido a alta presión, y se puede considerar que el caudal, para un determinado régimen, es constante mientras que la presión y la potencia requeridas son variables. Las transmisiones hidrodinámicas funcionan con grandes caudales a baja presión, y se s e puede considerar que el caudal y la l a presión pre sión son s on variables, vari ables, mientras que la potencia necesaria es constante. Las transmisiones hidrostáticas en las máquinas agrícolas utilizan como fluido aceite, y entre sus ventajas se pueden destacar una alta capacidad de adaptación del caudal a las necesidades del usuario, una elevada rapidez de respuesta, una reducida necesidad de entretenimiento, un bajo coste de mantenimiento, un bajo peso, una reducida necesidad de espacio, capacidad de generar grandes fuerzas, permitir sistemas de automatización y control, difícil de conseguir con otros sistemas de transmisión, y capacidad para conseguir transmisiones que serían difíciles de realizar con otros sistemas, ya que gracias a la posibilidad de utilización de tuberías flexibles, es posible transmitir y distribuir energía a grandes distancias y lugares diferentes mediante conexiones sencillas y cómodas. El elevado precio de los componentes puede compensarse con la simplificación de diseño y construcción y la flexibilidad funcional de las máquinas.
135
Sin embargo hay que tener en cuenta que tienen importantes pérdidas de energía debidas a muy diversas causas y es necesaria una formación específica para su utilización. 5.1.2- Principios de la transmisión hidrostática de potencia.
El principio básico de las transmisiones hidrostáticas de energía es el de la prensa hidráulica, cuyo principio de funcionamiento se aprecia en la siguiente figura: f
F
h
H
d
D Figura 5.1.1.- Palanca hidráulica.
Si se aplica al pistón de menor diámetro una fuerza f, ocurre que en el pistón de mayor diámetro aparecerá una fuerza F cuyo valor viene dado por:
F
D2 • f 2 d
Siendo: f: fuerza aplicada. d: diámetro del pistón pequeño. D: diámetro del pistón grande. F: fuerza generada. Cuanto mayor es la relación D/d, menor es la fuerza necesaria para generar una gran fuerza en la salida, aunque, evidentemente, menor es el desplazamiento del pistón de mayor diámetro, con respecto al realizado por el de pequeño diámetro, ya que el volumen de aceite desplazado es el mismo para ambos. Es por lo que la relación entre los desplazamientos vendrá dada por: 136
d2 H ·h 2 D El principio de funcionamiento presentado exige, para lograr un gran recorrido en la fuerza generada, el movimiento manual de grandes volúmenes de aceite. Para evitarlo, en los circuitos hidrostáticos, se sustituye el cilindro de pequeño diámetro por una bomba que toma el líquido de un depósito y lo introduce en el cilindro de forma continua haciendo recorrer al pistón de gran diámetro la distancia deseada. F
Figura 5.1.2.- Principio del bombeo hidráulico.
También puede explicarse el principio de considerando el principio de conservación de la energía.
funcionamiento
Es importante señalar que, todo circuito hidrostático si el líquido procedente de la bomba encontrara un obstáculo firme en cierto punto de su recorrido, que le impidiera seguir saliendo, se producirá una elevación de presión, alcanzándose valores tan elevados que podrían causar roturas en el sistema. Para impedirlo en todo circuito hidrostático se instalará una válvula que recibe el nombre de válvula de seguridad o de máxima. Si el fluido es impulsado por un conducto, en su recorrido encuentra una resistencia que es tanto mayor cuanto más largo y delgado es este, siendo precisamente esta resistencia la que genera una pérdida de energía, tanto más considerable cuanto más largo es el tubo, menor es su diámetro y mayor es el caudal de aceite, lo cual, para comprobarlo basta con realizar el experimento que se presenta en la siguiente figura.
137
p
Figura 5.1.3.- Variaciones de la presión originadas por efectos dinámicos.
La energía total del fluido utilizado en una transmisión puede considerarse suma de su energía de presión, también llamada piezométrica, de su energía potencial, de su energía cinética y de su energía térmica. La energía térmica tiene su origen en el rozamiento producido por el movimiento del líquido a través del circuito, que hace que parte de su energía se vaya transformando en calor. De las cuatro formas mencionadas es la única que se disipa y no se recupera, pero puede llevar al fluido de transmisión a temperaturas suficientemente elevadas como para ocasionar problemas importantes, por lo que hay que prestar una importante atención a ella. Si en un tubo de sección variable lleno de líquido en movimiento, se consideran dos secciones transversales cualesquiera S1 y S2, siendo v1 y v2 las velocidades (medias) del líquido en ellas, y Z1 y Z2 las alturas de sus centros de gravedad con respecto a un plano horizontal, p1 y p2 las presiones estáticas y e1 y e2 las energías térmicas en cada una de las dos secciones consideradas, por el principio de conservación de la energía se tendrá que la suma de las energías potencial, cinética, térmica y de presión es constante. S1 p 1
S2 v1
p 2
Z1
v2
Z2 Plano de referencia Figura 5.1.4.- Principio de Bernouilli.
138
Por tanto, puede expresarse que:
v12 p1 e1 Z 2 2·g
Z1
v 22 p 2 e2 Cte. 2·g
Siendo: g = aceleración de la gravedad. Z = altura geométrica. p = presión estática. v = velocidad. γ = peso específico del líquido. Expresión que se conoce como ecuación de Bernouilli. Como en las transmisiones hidrostáticas la energía potencial y la energía térmica son despreciables frente a los demás, el principio de Bernouilli puede expresarse por:
v2 p 2·g
Cte.
• El principio de continuidad, por el cual a lo largo de un tubo en
régimen permanente, el volumen de líquido que atraviesa una sección cualquiera por unidad de tiempo, o sea, el caudal, es constante, permite, a partir del concepto de caudal, calcular la velocidad media v, según la expresión:
Q v S Por tanto, puede expresarse que:
v1 • S 1
v 2 • S 2 Q Cte.
139
5.1.3.- Potencia y rendimiento.
En las transmisiones hidrostáticas la potencia hidráulica, se manifiesta en forma de presión y de caudal, y se calcula mediante las fórmulas:
Ni
p·Q (C.V.) ; Ni 450
p·Q (Kw) 612
Siendo: p: Presión expresada en kp/cm2. Q: Caudal en l/min. En toda transmisión de energía es preciso tener en cuenta el rendimiento, el cual, tiene lugar como pérdida de potencia, que debe ser compensada por el motor que la acciona. La potencia del motor Nm necesaria será la suma de la potencia hidráulica Nh, que es la realmente utilizable en la transmisión hidrostática y la potencia perdida Np:
Nm
Nh
Np
Se define el rendimiento como el cociente entre la potencia hidráulica y la potencia motriz necesaria, y se calcula mediante la expresión:
Nh Nm
Nh Nh Np
Las pérdidas de potencia se pueden agrupar en pérdidas de caudal y en pérdidas mecánicas. • Se define rendimiento volumétrico, ηv a la relación:
v
Qr Qt
Qr Qr Qp
140
Siendo: Qt = caudal teórico Qr = caudal real Q p = caudal perdido • Se define rendimiento mecánico
pr pt
m
m a
la relación:
pr pr pp
Siendo: pt = presión teórica pr = presión real p p = presión perdida El rendimiento total, se calcula como producto del rendimiento volumétrico por el mecánico: m
·
v
El rendimiento se da tanto en los elementos impulsores de caudal, como en los receptores. En éstos las fórmulas de cálculo son:
Nm
Potencia mecánica: Rendimiento total: Caudal absorbido: Q t
Nm Nh
Nh Np Nm Nm Np
Qr Qp
Rendimiento volumétrico
v
Rendimiento mecánico y de presión:
Qt Qr m
Qt Qt Qp pt pr
pr
pp pr 141
Rendimiento total:
m
·
v
Tanto en los emisores como en los receptores los rendimientos dependen de sus características constructivas, de la presión de trabajo y de la velocidad de rotación. Es práctica generalizada cuando se quiere calcular el rendimiento total de una transmisión hidráulica, tener en cuenta sólo las pérdidas en el receptor, siendo el rendimiento total de una transmisión el producto de ambos 5.1.4.- Medida de la presión.
Los manómetros son indispensables en las instalaciones de transmisiones hidrostáticas de potencia. El tipo más utilizado es el de muelle Bourdon, el cual está constituido por un tubo metálico flexible curvado cuyo extremo libre está cerrado y el otro conectado de forma que en él entra el aceite. La elasticidad del tubo curvado hace que las variaciones de presión desplacen el extremo libre del tubo, desde el cual a base de palancas, cremalleras y engranajes, mueve una aguja montada sobre un pivote que marca su desplazamiento en una esfera graduada. El conjunto está alojado dentro de una caja protectora, cerrada por delante por un vidrio, la cual para alargar la vida útil del instrumento en no pocos modelos se llena de aceite. Para medir diferentes márgenes de presión se utilizan tubos con diferente elasticidad.
142
5
6 7 8
4
9 3 10 2 11
1 0
12
Figura 5.1.5.- Manómetro de muelle Bourdon.
En las transmisiones hidrostáticas, lo que se lee en el manómetro es la presión piezométrica de la masa de líquido, la cual como se propaga con una velocidad del orden de 1200 m/seg, se puede considerar que llega a todos los puntos de la instalación instantáneamente. 5.1.5.- Resistencias hidráulicas.
La circulación de cualquier fluido ofrece resistencia que se manifiesta con pérdidas de carga o de presión. Empíricamente se puede demostrar que dicha resistencia es directamente proporcional a la longitud de la tubería e inversamente proporcional a una potencia de su diámetro que depende de las características geométricas de la tubería, de la viscosidad del fluido y del régimen de circulación (laminar o turbulenta).
Rh
K ·L ·
Siendo: R h = resitencia a la circulación del fluido. K = constante caracterítica de la tubería. L = longitud de la tubería. ∅ = diámetro de la tubería. El cálculo de la pérdida de carga o diferencia de presiones entre dos puntos considerados, que origina la resistencia, se calcula mediante criterios empíricos, y hay que tener en cuenta que la presión en la acometida es la suma de la pérdida de carga debida a la tubería y de la presión en el punto considerado.
143
p
p p1
Multiplicando ambos miembros de la igualdad por el caudal Q, se tiene:
N
N N1
Siendo: N = potencia a la salida de la bomba. ∆ N = pérdida de potencia debida a la circulación de fluido. N1 = potencia disponible. La pérdida de potencia debida a la circulación del fluido se da transformándose en calor que es preciso eliminar en un tiempo máximo, para evitar sobrecalentamientos. El fluido puede circular en régimen laminar o en régimen turbulento. • En régimen laminar, que es propio de las bajas velocidades, se
considera que el fluido que circula en cilindros concéntricos de espesor infinitesimal, con movimiento rectilíneo y paralelo, de forma que el cilindro en contacto directo con la pared de la tubería tiene velocidad nula, y a partir de la pared aumentan progresivamente la velocidad, hasta llegar a un máximo en el eje de la tubería. • El régimen turbulento se produce cuando se sobrepasa la
denominada velocidad crítica, la cual depende de las características del líquido y del diámetro de la tubería, y en él las partículas están animadas con un movimiento desordenado con velocidades que varían con el tiempo y la posición. La determinación del tipo de régimen se hace mediante el número adimensional de Reynolds el cual para tuberías se calcula con la siguiente expresión:
144
R e
·v ·d ·g
Siendo: R e = número de Reynolds. v = velocidad media en el tramo de tubería. d = diámetro interior de la tubería. γ = peso específico del líquido. η = viscosidad absoluta. g = aceleración de la gravedad. Para cada tipo de sección existe, y es conocido, un valor crítico del número de Reynolds que limita los dos regímenes posibles. Además de las pérdidas de carga debidas a la resistencia a circular el fluido por tuberías, se pueden encontrar resistencias localizadas en puntos tales como curvas, codos, empalmes, cambios de diámetro, confluencias o divergencias, estrechamientos, etc. Para su cuantificación se usan tablas y ábacos obtenidos experimentalmente. Para calcular la pérdida total de presión en un circuito se suman de las pérdidas de carga distribuidas y localizadas que aparecen en él. Esta pérdida total de presión debe mantenerse dentro de límites relativamente bajos, para conseguir, además de un rendimiento total elevado que la producción de calor sea reducida. Se considera aceptable una pérdida de carga total no superior al 5-10% de la presión de impulsión. 5.1.6.- Características de los fluidos.
El fluido utilizado en los circuitos hidrostáticos además de transmitir potencia, lubrica las piezas móviles, reduce las fugas y enfría o bien disipa el calor. Las características que deben satisfacer los fluidos son: • Elevado poder lubricante • Bajo poder corrosivo. • Reducida evaporación. 145
• Alto punto de ebullición. • Pequeña capacidad de formación de depósitos.
Además debe cumplir requerimientos tales como: impedir la oxidación, impedir la formación de lodo, gomas y barniz, reducir la formación de espuma, mantener su propia estabilidad, tener un alto índice de viscosidad, tener poder antiemulsivo y no atacar a los elementos constituyentes del circuito. • La viscosidad es de todas las propiedades de los fluidos hidráulicos
la más importante y se define como la medida de su resistencia a la circulación. Para medir la viscosidad, Newton realizó un experimento que consistió en medir la fuerza de arrastre de un cilindro dotado de giro sobre otro colocado en su interior, teniendo en cuenta la holgura entre las superficies laterales enfrentadas, la dimensión de las mismas y el tubo de aceite en el que metía ambos cilindros. Demostró que la fuerza de arrastre originada por el rozamiento es directamente proporcional la tamaño de las superficies enfrentadas y a su velocidad lineal relativa e inversamente proporcional a la holgura, lo cual expresó mediante la ecuación:
F=
S v h
Siendo: F = fuerza de arrastre S = superficie deslizante v = velocidad relativa de desplazamiento h = distancia entre superficies deslizantes ν = constante de proporcionalidad que Newton denominó viscosidad absoluta o simplemente viscosidad. Cuando F se expresa en dinas, v en cm/s, h en cm y S en cm2, la unidad de viscosidad es el poise.
146
La viscosidad de la mayoría de los aceites lubricantes es inferior a un poise y es por ello que es usual expresar la medida de viscosidad en centipoises. Es evidente que a medida que aumenta la velocidad relativa entre las superficies deslizantes mayor es la fuerza de rozamiento y cuanto mayor es la superficie enfrentada más elevada es también la fuerza de rozamiento lo cual está en contraposición con las leyes de rozamiento de Coulomb. Como la viscosidad y la densidad de los aceites cambia con la temperatura es frecuente expresar la viscosidad del aceite como viscosidad cinemática νc, considerando como tal la relación: c
=
Siendo:
νc = viscosidad cinemática ν = viscosidad absoluta δ = densidad del aceite Si se expresa en gr/cm3, la unidad de c es el Stoke. Como la viscosidad cinemática de los lubricantes es muy reducida acostumbra a usar como unidad de medida el centistoke (1 centistoke = 1/100 Stoke). Debido a la poca aceptación que fuera del campo técnico han tenido estas unidades, se usan en los aceites comerciales otras formas de medir la viscosidad. Así es usual encontrar aceites con su viscosidad expresada en Grados Saybolt, Engler o Redwood. La primera se define como el tiempo en segundos necesario para que 60 cm 3 de aceite pasen a través de un tubo de 1'76 mm. de diámetro y 12'22 mm. de longitud a una temperatura dada, y se representa por S.S.U. Las restantes con sus características específicas se definen de igual manera. La relación entre ν y S.S.U. se obtiene mediante la fórmula empírica de Hagen-Poseuille: 147
(centistokes) = 0'22 · SSU - 180/SSU Una vez obtenida, para pasar la viscosidad cinemática a viscosidad absoluta basta con multiplicar por la densidad del aceite expresada en gr/cm 3. La relación entre ν y ºE, entre ciertos límites, se obtiene mediante la fórmula de Ubbelohde:
6'4 • • 104 Kp • s/m 2 ºE
7'6•º E Siendo:
ν: viscosidad absoluta en Kp·s/m 2.
º E: viscosidad en grados Engler. γ: peso específico del aceite en Kp/dm3. Hoy en día es frecuente para definir las características de un aceite, utilizar la nomenclatura ofrecida por la Sociedad Americana de Ingenieros, la cual se presenta en la siguiente tabla : Denominación S.A.E. 10 20 30 40 50 60 70
Viscosidad ºE a 50ºC 3.1-4.2 4.2-6.4 6.4-9.3 9.3-11.6 11.6-18.8 18.8-24.4 24.8-32.3
Viscosidad ºE a 100ºC 1.4-1.6 1.6-1.8 1.8-2.1 2.1-2.3 2.3-3.0 3.0-3.5 3.5-4.1
FLUIDEZ Muy fluido Fluido Semifluido Semidenso Denso Muy denso Extra denso
Tabla 5.1.1.- Clasificación S.A.E. de los aceites
La variación de la densidad del aceite con la temperatura puede expresarse mediante la ecuación empírica: t
=
16º C
- 0'0006 • (t - 16)
• El índice de viscosidad permite determinar la variación de la
viscosidad con la temperatura, para ello a los aceites parafínicos, cuya viscosidad cambia poco con la temperatura, se les da un índice de viscosidad 100 y a los que ofrecen cambios grandes de viscosidad, los aromáticos, se les 148
da índice de viscosidad 0, con lo que para determinar el índice de viscosidad de un aceite dado se determina su viscosidad S.S.U. a 100ºC y a 38ºC y si son x e y las viscosidades determinadas, su índice de viscosidad se determina mediante la fórmula empírica:
I V=
L-y 100% L-H
Siendo: H = 0'0408·x2 + 12'568·x - 475'4 L = 0'2160·x2 + 12'070·x - 721'2 5.1.7.- Elementos hidrostáticos
5.1.7.1.- Introducción El diseño y cálculo de un circuito hidrostático de transmisión de potencia requiere el conocimiento previo de las características constructivas y de funcionamiento de los distintos elementos que lo componen. La industria oferta una muy variada gama de productos comerciales, cuyas particularidades permiten una selección correcta de componentes, pero para poder hacer su selección con fundamento es preciso conocer sus características generales, las cuales se presentan en este apartado.
5.1.7.2.- Depósitos. El depósito, cuya principal misión es la de contener el fluido de transmisión, puede situarse en cualquier parte de la máquina sin más problemas que su diseño, de forma que deje en su parte superior un espacio libre suficiente para que el aire pueda separarse del fluido, que permita que los contaminantes se sedimenten y que disipe el calor generado en el sistema. Como regla práctica, en instalaciones para maquinaria agrícola, se acostumbra a dimensionar la capacidad del depósito en litros, de forma que sea de dos o tres veces el caudal de la bomba expresado en litros por minuto.
149
Los depósitos deben tener un respiradero al que se le incorpora también un filtro grosero, normalmente de malla metálica, que además de mantener la presión atmosférica en el interior, elimine las impurezas al llenarlo de aceite. También deben tener en su interior una placa cuya misión es la de someter el fluido a una decantación, y que además de impedir que se originen turbulencias, ayude a separar el aire del fluido y a disipar el calor a través de las paredes.
1
4
3 2
1.- Salida hacia la bomba. 2.- Filtro grosero de malla. 3.- Placa desviadora. 4.- Retorno.
Figura 5.1.6.- Depósito de aceite con termómetro e indicador de nivel y detalle del orificio de llenado.
Las conexiones del depósito deben hacerse por debajo del nivel de aceite, y tanto las líneas de aspiración como las de retorno deben estar lo más bajas posible respecto al nivel del fluido.
5.1.7.3.- Tuberías y racores. Los elementos que constituyen un circuito hidrostático se unen mediante tuberías rígidas o flexibles. • Las tuberías rígidas son tubos de acero obtenidos por estirado, con
una superficie interior muy lisa y un diámetro exterior con tolerancias
150
constructivas muy reducidas, para poder unir entre sí tramos de tubo o elementos por medio de los llamados racores sin soldadura, aunque cuando las tuberías son muy grandes se unen mediante bridas soldadas.
Figura 5.1.7.- Racor estándar.
• Las tuberías flexibles se usan para llevar el aceite a elementos que
modifican su posición durante su funcionamiento, o bien presentan vibraciones. Además de soportar valores elevados de presión, pueden permitir las más diversas conformaciones. Se construyen a base de capas alternadas de tejido de goma y de mallas metálicas. Siendo el número de mallas el que determina su capacidad para soportar la presión. Para su conexión permiten la colocación en sus extremos de manguitos roscados, también llamados racores, y para hacer conexiones provisionales existen manguitos especiales denominados rápidos, que actúan con una simple acción manual. 1
2 3
4
1.- Capa exterior de caucho. 2.- Capa de tejido metálico. 3.- Capa interior de caucho. 4.- Capa de tejido metálico. 5.- Capa interior de material no sensible al fluido.
5
Figura 5.1.8.- Tubería flexible.
Cada manguito está constituido por un cuerpo, una tuerca de apriete y un anillo.
151
Figura 5.1.9.- Manguito roscado de conexión a tubería flexible y manguito rápido.
En todas las tuberías se ofrece su presión de prueba, que es normalmente igual a una vez y media la presión de servicio máxima prevista, y su diámetro nominal o diámetro interior de las mismas. Ambas características están normalizadas.
5.1.7.4.- Cilindros. Cada cilindro hidráulico está formado por un cuerpo tubular provisto de dos cabezales con juntas de estanquidad de tipo estático, uno de los cuales tiene un orificio por el que pasa la caña o vástago, y un pistón, con juntas de estanquidad de tipo dinámico que se desliza unido a la caña. Hay cilindros con doble vástago, para aplicaciones especiales. Cada cuerpo y su correspondiente vástago están dotados de sistemas de fijación a la estructura de la máquina, y según las características de su funcionamiento se pueden clasificar en de simple efecto, en los cuales la presión actúa sobre una sola cara del pistón, siendo, normalmente, el propio peso de los elementos sobre los que actúa el que le hace retroceder, y de doble efecto, en los que la presión actúa sobre ambas caras del pistón y provoca movimientos en uno u otro sentido.
152
Figura 5.1.10.- Cilindro de doble efecto.
5.1.7.5.- Bombas. Las bombas, que son los elementos encargados de transformar la energía mecánica en energía hidráulica, pueden ser hidrodinámicas e hidrostáticas. • Las bombas hidrodinámicas, también denominadas centrífugas,
utilizan un rotor que imprime al fluido una elevada velocidad gracias a la cual adquiere presión. La característica más importante de este tipo de bombas es que el caudal suministrado y la presión están ligados de manera que su producto es constante, por lo que si uno aumenta el otro disminuye. 2 3 1
4 1 5
1.- Salida. 2.- Eje. 3.- Entrada. 4.- Rodete. 5.- D ispersor.
Figura 5.1.11. Bombas hidrodinámicas.
• Las bombas hidrostáticas, también denominadas volumétricas, dan
presión al líquido disminuyendo el volumen de la cámara en la que es contenido. En ellas el caudal suministrado no varía con la presión, sino que depende de su cilindrada y de su régimen de giro. Se define cilindrada como el volumen de líquido desplazado en cada revolución y se expresa en centímetros cúbicos/revolución. La mayoría de las bombas tienen cilindrada fija, aunque hay modelos en los que se puede modificar la cilindrada, por lo que a un régimen de giro, pueden ofrecer distintos caudales. Las bombas hidrostáticas pueden ser: • De engranajes: constan de dos engranajes alojados en una carcasa
153
provista de acometidas de aspiración e impulsión. Se caracterizan por su solidez, su adaptación a diferentes tipos de aceites, su facilidad de montaje en cualquier posición, su amplio margen de velocidades admisibles, su elevada capacidad de aspiración, su amplia gama de tamaños, su economía y su gran oferta comercial. 4
3
1.- Entrada por vacío. 2.- Arrastre del aceite. 3.- Engranaje. 4.- Salida de aceite a presión.
2 1
Figura 5.1.12.- Bomba de engranajes.
La alta presión existente a la salida de la bomba supone una carga no equilibrada sobre los engranajes y de estos sobre los cojinetes que los soportan, lo que obliga a usar cojinetes de agujas. • De lóbulos o de engranajes externos constan de un rotor interno,
que movido desde el exterior, arrastra un rotor externo, con el que forman las cámaras de bombeo. 3
4 5
2
1 1.- Orificio de entrada. 2.- Orificio de salida. 3.- Rotor interno. 4.- Cuerpo. 5.- Rotor externo.
Figura 5.1.13.- Bomba de lóbulos.
• De paletas: constan de un cuerpo o carcasa, dentro de la cual gira un
rotor con paletas en su periferia. Las paletas delimitan las cámaras de volumen variable, en las cuales a medida que giran crean un vacío que las llena de aceite que es impulsado hacia la salida cuando el tamaño de las cámaras disminuye.
154
5 4
3 2
1
6
8
7
1.- Entrada. 2.- Eje. 3.- Cámaras de bombeo. 4.- Rotor. 5.- Superficie del anillo. 6.- Salida. 7.- Paletas. 8.- Cuerpo.
Figura 5.1.14.- Funcionamiento de una bomba de paletas.
• De pistones: constan de un cilindro provisto de dos válvulas, una de
admisión y otra de impulsión, dentro del cual un pistón, moviéndose alternativamente, aspira fluido y lo expulsa. Según sus características de funcionamiento, las bombas de pistones se clasifican en:
De pistones en línea: que son las más simples si bien resultan más voluminosas y presentan limitaciones en su velocidad de giro. Funcionan gracias a un sistema biela-manivela con el que consiguen el movimiento alternativo de los pistones. De pistones radiales: cuya cilindrada viene determinada por el diámetro y número de los pistones y, naturalmente, por la longitud de su carrera, la cual en algunos modelos puede variar ofreciendo un caudal variable. Tienen un bloque de cilindros que gira sobre un pivote estacionario, de forma que a medida que los pistones se desplazan alternativamente en sus cilindros, aspiran y descargan el fluido. De pistones axiales producen el bombeo según un sistema de placa inclinada con bloque de cilindros rotativo en unos modelos, o según un sistema de placa oscilante y bloque de cilindros fijo en otros, o bien según una placa vertical con bloque de cilindros rotativo. La cilindrada de estas bombas, que puede ser variable, viene determinada por el número y tamaño de los pistones así como por su carrera, la cual depende del ángulo de la placa inclinada con respecto al bloque de cilindros. Con el principio descrito se comercializan modelos de cilindrada constante y otros de caudal variable, para lo cual un sistema de control 155
externo hace variar el ángulo que forma la placa con el bloque de cilindros. 3 4
2
1
5 6
1.- Entrada deaceite. 2.- Salida de aceite. 3.- Ranura en placa de distribución. 4.- Pistón. 5.- Eje de accionamiento. 6.- Placa de presión. 7.- Orificio de entrada de en los. cilindros.
7
Figura 5.1.15.- Bomba de placa inclinada y barrilete.
5.1.7.6.- Motores. Los motores hidráulicos son los encargados de transformar la energía hidráulica en energía mecánica. Su construcción es muy parecida a la de las bombas, y como ellas tienen dos orificios, uno de entrada y otro de salida del aceite y giran en un sentido o en el contrario según el orificio de entrada de aceite usado. En la mayoría de los motores hidráulicos hay una salida correspondiente al aceite de drenaje. La elección de un motor hidráulico se hace en función de su régimen máximo de giro, de su par y de la presión máxima que soporta. El par de los motores hidrostáticos va indefectible unido a su cilindrada, o cantidad de fluido en cm 3 que requiere para dar una revolución, y a la presión máxima que soporta, se calcula mediante la expresión:
M
·C·P
Siendo: M = par motor. ∆ = constante característica del motor. C = cilindrada. P = presión de trabajo. Los motores hidráulicos pueden ser: • De engranajes, semejantes a las bombas, constan de dos engranajes
acoplados que giran conjuntamente en el interior de una carcasa, uno de ellos 156
acoplado al eje de accionamiento. Sus principales ventajas son su sencillez, su tolerancia a las impurezas y su reducido precio, entre sus inconvenientes están su bajo rendimiento, su reducida presión máxima y que su régimen máximo de giro no es excesivamente alto.
Figura 5.1.16.- Motor de engranajes.
• De lóbulos, semejantes a las bombas, permiten obtener altos pares y
bajas velocidades con un reducido tamaño.
Figura 5.1.17 -Motor hidráulico de alto par y baja velocidad.
• De paletas, los cuales producen energía mecánica al actuar la
presión del aceite sobre las superficies de las paletas colocadas en un rotor, acoplado al eje de accionamiento. • De pistones, los cuales producen trabajo al actuar la presión en los
pistones, originando una rotación del barrilete y del eje. El par es proporcional al área de los pistones y depende del ángulo de inclinación de la placa.
157
5.1.7.7.- Distribuidores. Los distribuidores, también denominadas válvulas direccionales, permiten conducir el aceite para enviarlo a los distintos elementos y efectuar las funciones que requiera el circuito. Cada distribuidor se define por el número de vías de conexión que posee y por su número de posiciones. Así por ejemplo una válvula de esfera, como posee una entrada y una salida, es decir dos conexiones, se dice que tiene dos vías, y como puede estar abierta o cerrada, se dice que tiene dos posiciones, por tanto es un distribuidor del tipo 2/2. Un distribuidor de tres posiciones, para actuar sobre un pistón de doble efecto, que lo deja fijo en cualquier posición, es del tipo 6/3. Los distribuidores constan de un cuerpo fijo con acometidas de conexión y cavidades interiores, en cuyo interior una corredera cilíndrica, provista de ranuras y orificios se desliza de forma manual, mecánica, neumática, oleostática o electromagnética abriendo o cerrando las vías de circulación del aceite.
Figura 5.1.18.- Distribuidores de accionamiento manual.
5.1.7.8.- Válvulas. Las válvulas, cuyas misiones son las de regular la presión y el caudal, se pueden clasificar en tres grupos: • Válvulas antirretorno. • Válvulas reguladoras de caudal. • Válvulas reguladoras de presión. • Las válvulas antirretorno, también llamadas de retención, tienen la
misión de impedir que el aceite pueda recorrer en ambos sentidos las vías de circulación. Se comercializan para su montaje en línea, en ángulo recto, con retorno controlado, y con antirretorno pilotado. 158
3
1
2
4
A.- Hay circulación de aceite. 1.- Entrada. 2.- Salida. 3.- Asiento. 4.- Bola o cono. B.- Sin circulación de aceite.
A
B
Figura 5.1.19.- Funcionamiento básico de una válvula sin retorno.
• Las válvulas reguladoras de caudal se utilizan para controlar la
cantidad de aceite por unidad de tiempo que se envía a un determinado receptor. Según las características de su trabajo pueden ser no compensadas o compensadas. Las primeras limitan mecánicamente el paso del aceite, variando el tamaño de un orificio, y las segundas utilizan un sistema de compensación que permite mantener una caída de presión constante a través de una restricción regulable que desvía al depósito el exceso de caudal, cuando la diferencia de presiones es suficiente para vencer un muelle. 2 1 3
4
5 6
1.- Entrada. 2.- Pistón. 3.- Estrangulador regulable. 4.- Salida a receptor. 5.- Salida a depósito. 6.- Obturador de la válvula de seguridad
Figura 5.1.20.-- Regulador de caudal no compensado.
• Las válvulas reguladoras de presión, imprescindibles en cualquier
circuito ponen en comunicación la línea de impulsión y el depósito, de forma que cuando la presión alcanza un valor previamente fijado se produce descarga de fluido y se evitan las roturas. Las más elementales usan un resorte que actúa contra un elemento móvil de cierre de un orificio, regulan la presión mediante un tornillo con ajuste manual. 159
Figura 5.1.21.- Válvula de máxima de acción directa.
Cuando el caudal y la presión son elevados, un control preciso con la válvula de acción directa no resulta fácil, ya que exigiría el uso de un resorte de grandes dimensiones, con los consiguientes inconvenientes de su excesivo volumen y dificultad de calibrado. En estos casos se usan válvulas que tienen un cuerpo, en el que hay alojado un pistón sobre el que actúa un resorte. Encima del cuerpo hay un control hidráulico que permite el control de la presión mediante el ajuste de un tornillo que actúa sobre un pequeño muelle que actúa sobre un cono que cierra un reducido orificio.
Figura 5.1.22.-- Válvula pilotada.
Su funcionamiento se consigue gracias a que en el pistón se taladra un pequeño orificio axial que iguala, cuando por él no hay circulación de aceite, la presión en ambas caras del pistón. Ésta se transmite hasta el pequeño orificio del control hidráulico, que está cerrado por el antedicho cono. Cuando la presión sobrepasa la acción del pequeño muelle, el cono se separa y el aceite circula a través de un orificio axial, taladrando a lo largo del pistón, haciendo aparecer una diferencia de presión entre las caras inferior y superior del mismo, suficiente como para vencer la fuerza del resorte que lo 160
empuja, por lo que se levanta y permite la descarga de aceite hacia el depósito. • Las válvulas reductoras, también consideradas como reguladoras
de presión, bien por acción directa o bien pilotadas, permiten conseguir diferentes valores de presión en las distintas partes de un circuito. 4
3 Figura 5.1.23.- Válvulas reductoras de acción directa.
• Las válvulas de estrangulación pueden considerarse como válvulas
reductoras de presión, pero como la disminución de presión depende del caudal que pasa por ella, no mantienen constante la presión del aceite a la salida. • Las válvulas de secuencia se utilizan cuando en los circuitos es
necesario el paso de aceite sólo cuando la presión alcanza un determinado valor. Llevan un pequeño pistón en el que actúa, por un lado, la fuerza de un pequeño resorte y por el otro la fuerza generada por la presión del circuito, que cuando alcanza el valor tarado, abre totalmente el paso de aceite. 3
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1.- Entrada de línea de presión. 2.- Corredera. 3.- Tronillo de ajuste. 4.- Salida a depósito. 5.- Salida de línea de presión. 6.- Pistón.
1
Figura. 5.1.24.- Válvula de secuencia.
5.1.7.9.- Acumuladores hidráulicos.
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Un acumulador hidráulico no es más que un depósito capaz de almacenar energía que sirve bien para suministrar fluido a presión cuando no no lo aporta la bomba, o bien para absorber los golpes de ariete del sistema. Existen en el mercado acumuladores de muelle, acumuladores neumáticos y acumuladores de membrana, cuyos esquemas se presentan en la figura siguiente.
Figura 5.1.25. Distintos tipos de acumuladores.
5.1.7.10.- Simbología. Para representar cualquier circuito hidráulico se utiliza un sistema que está normalizado por el que cada elemento se representa por un símbolo, gracias a lo cual su comprensión es fácil y rápida. ELEMENTO
SÍMBOLO
ELEMENTO
Bomba de cilindrada constante y con un solo sentido de circulación de aceite.
Motor de cilindrada variable con dos sentidos de circulación de aceite
Bomba de cilindrada constante y con dos sentidos de circulación de aceite.
Cilindro de simple efecto
Bomba de cilindrada variable y con un sentido de circulación de aceite.
Cilindro de doble efecto
Motor de cilindrada constante y con un solo sentido de circulación de aceite.
Cilindro de doble efecto con pistón provisto de vástago a ambos lados
SÍMBOLO
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ELEMENTO
SÍMBOLO
ELEMENTO
Motor de cilindrada constante y con dos sentidos de circulación de aceite
Cilindro telescópico
Árbol con un solo sentido de rotación
Mando manual de pulsador
Árbol con ambos sentidos de rotación
Mando manual de palanca
Mando por control eléctrico
M
SÍMBOLO
Mando manual de pedal
Conducto de alimentación y de retorno Mando mecánico de resorte
Conducto de gobierno
Mando mecánico de tambor
Mando electromagnético por solenoide
Distribuidor de 2 posiciones y 2 vías con mando manual de palanca y retorno por resorte
Distribuidor de 3 vías y 2 posiciones con mando hidráulico o neumático
Distribuidor de 4 vías y 3 posiciones con mando hidráulico
Distribuidor de 2 posiciones y 3 vías con representación de la conexión transitaria durante la fase de paso
Válvula de máxima de mando hidráulico
Válvula de retención
Válvula reductora de presión (con conducto de descarga)
Válvula de retención calibrada
Válvula de secuencia (sin conducto de descarga)
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ELEMENTO
SÍMBOLO
Válvula de retención pilotada
ELEMENTO
SÍMBOLO
Válvula de estrangulación variable
Válvula combinada de retención y de estrangulamiento
Divisor de caudal
Válvula de cierre
Manómetro
Motor eléctrico
Termómetro
Motor térmico
Medidor de caudal
Acumulador
Presostato
Filtro
Indicación general de descarga al depósito y depósito al aire libre
Refrigerador
Tabla 5.1.2. Símbolos normalizados para los componentes hidrostáticos.
5.1.7.11.- Clasificación de los circuitos hidrostáticos. En función de la circulación del aceite los circuitos hidrostáticos pueden clasificarse en abiertos y cerrados. • Circuito abierto es aquel que cuando el caudal de la bomba ha
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