REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACIÓN UNIVERSIDAD JOSÉ ANTONIO PÁEZ FACULTAD DE INGENIERÍA
WINCH HIDRÁULICO/ CABRESTANTE HIDRÁULICO
Sección: 208N1 Integrante: Giancarli, Paola 24.496.008
San Diego, Carabobo – Septiembre 2016
INDICE Pág. Introducción……………………………………………………………………………….. 4 Marco teórico………………………………………………………………………………5 Cabrestante o winch ………………………………………………………………………5 Bomba hidráulica……….…………………………………………………………………5 Motor hidráulico ……………………………………………………………………………6 Tren de engranajes………………………………………………………………………..7 Sistema de frenos …………………………………………………………………………7 Motor ……………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………….. 7 Cable………………………………………………………………………………………..7 Sistema de enfriamiento ………………………………………………………………….8 Válvulas de control ………………………………………………………………………..9 Ventajas y desventajas …………………………………………………………………...9 Capacidad de arrastre…………………………………………………………………..10 Marco Metodológico……………………………………………………………………..11 Circuito hidráulico ………………………………………………………………………..11 Selección del winch ……………………………………………………………………...12 Selección del motor hidráulico………………………………………………………….14
Selección de la bomba hidráulica ………………………………………………………15 Selección de la tubería………………………………………………………………….16 Selección de la válvula direccional…………………………………………………….18 Selección de la válvula limitadora de presión………………………………………... 19
Selección del d epósito……………………………………………………………….....20 Selección del motor eléctrico …………………………………………………………..21
Conclusión…………………………………………………………………………….… .22 Bibliografía………………………………………………………………………………. .23
INTRODUCCIÓN Los winches o cabrestantes son maquinarias de uso diario en la vida cotidiana de cualquier persona, ya sea para remolcar un vehículo, o halar cualquier tipo de carga que sea demasiado pesada para que lo realice una persona o con una máquina de manera manual. Cuando hablamos específicamente de los winches hidráulicos hablamos de máquinas con mayor torque que los mecánicos o eléctricos, son capaces de halar cargas bastante altas y vienen desde tamaños pequeños, montables en carros o camionetas, hasta grandes tamaños, colocados en barcos y empresas. En el siguiente informe se muestra de manera detallada todo lo que tiene que ver con estas máquinas increíbles.
4
MARCO TEÓRICO Cabrestante o winch: es un dispositivo poderoso que está diseñado para arrastrar y/o desplazar objetos o grandes cargas en una superficie horizontal, básicamente es un sistema de transmisión de potencia. Los winches o cabrestantes hidráulicos están conformados por una bomba hidráulica, un motor hidráulico y un set de engranajes que hacen que el cable del winch funcione. Una de las principales ventajas del sistema de transmisión hidráulico es que la velocidad puede ser variada infinitamente dentro del rango de velocidad que permita la transmisión. Una acotación importante es que los winch nunca deben ser utilizados para levantar un objeto verticalmente, para este tipo de movimientos verticales se debe utilizar una polipasto. Bomba Hidráulica: comúnmente se utilizan las de pistón axial con plato de presión de inclinación variable, estas derivan su nombre de que los pistones se mueven dentro y fuera del plano paralelo del eje de entrada. El principio de funcionamiento de estas bombas está basado en que el eje de entrada de potencia de la misma es propulsado ya sea por una toma de fuerza o por el motor diesel. Al rotar el eje de entrada de la bomba, éste guía el giro del bloque de cilindros, los cilindros y el plato de presión. Este plato de presión puede ser inclinado hasta un ángulo de ±17°, más sin embargo, éste no rota, y el ángulo de inclinación del mismo es el que controla el desplazamiento a la salida de la bomba. La bomba de precarga provee suficiente presión de tal forma de que los cilindros están completamente llenos de aceite y mantiene una presión constante durante el funcionamiento de la bomba.
FIGURA 1. Bomba hidráulica.
5
Motor hidráulico: es un dispositivo que convierte la energía de un fluido en energía mecánica. La velocidad del motor dependerá de la cantidad de aceite proveniente de la bomba en un tiempo determinado, mientras que el torque proporcionado será directamente proporcional a la caída de presión entre el puerto de entrada y de salida. El diseño del motor hidráulico es similar al de la bomba, excepto que el plato de presión está fijo y su inclinación no puede ser variada. El sentido de giro del motor puede ser cambiado revirtiendo el sentido del fluido en el circuito. Cuando el sistema está en posición neutral, es decir, el winch no se está moviendo, la bomba no manda fluido al motor, sin embargo, la bomba de precarga es la encargada de mantener la presión mínima necesaria en el sistema. Ver figura 1
FIGURA 2. Winch Hidráulico. 6
Tren de engranajes: Su función es transmitir la potencia de un motor de alta velocidad a un tambor de winch de torque elevado. La relación de reducción es la que indica el número de vueltas del motor a número de vueltas del tambor. Mientras mayor sea la relación el motor debe esforzarse menos para hacer girar el tambor. La mayor diferencia existente entre los sistemas de engranajes esta en su eficiencia de transferencia. Existen dos tipos de tren de engranaje: 1. Tren de engranaje de tornillo: tiene una eficiencia de transferencia entre 35 y 40%, esto hace que el winch pueda soportar cargas sin necesitar de un sistema de freno, pero que a su vez requiera de un mecanismo de embrague para poder liberar el cable. Este tipo de engranajes ofrecen las mayores relaciones de reducción, son sumamente fiables y por lo tanto son excelentes para trabajo pesado; sin embargo, tienen la desventaja de ser muy lentos en cuanto a la velocidad del winch. 2. Tren de engranajes recto o planetario: tienen eficiencias de 75% y 65% respectivamente, tienen la tendencia a ceder bajo la acción de una carga, y por lo tanto requieren mecanismos de frenado. Los engranajes planetarios son los más comunes ya que proveen buena potencia y resistencia. Muy pocos winch poseen engranajes rectos, en todo caso, los de uso más extremo, ya que poseen características especiales.
FIGURA 3. Trenes de engranaje. Planetario. De tornillo. Recto.
Sistema de frenos: es un sistema muy importante en cualquier tipo de winch, ya que es el encargado de detener el tambor del winch, cuando el motor frena y existe una carga en el cable. Tambor: es básicamente donde se enrolla el cable del winch, es impulsado por el motor y por el tren de engranajes. Su dirección es variable. Cuanto más pequeño el diámetro del tambor, mayor fuerza desarrolla. Cable: la cuerda, es una parte integral del winch, ya que es por medio de él que se realizará el trabajo, normalmente el material del cable es acero o cuerda 7
sintética. Cuando un cable se dobla por un objeto, su fuerza es disminuida, lo cual disminuye su eficiencia. Al momento de enrollar el cable en el tambor, se debe tener sumo cuidado, puesto que si se enrollara más cable de un lado del tambor que del otro, se estaría perdiendo alrededor del 10% de capacidad en cada capa, además de provocar daños irreparables del mismo cable. El cable siempre debe enrollarse en línea recta.
FIGURA 4. Cable mal enrollado. Cable dañado.
Sistema de enfriamiento: ya que es un sistema de transmisión hidráulico es muy importante tener un sistema de enfriamiento, así también un reservorio en el cual el aceite pueda ser almacenado. En las unidades de tierra el reservorio se encuentra entre la cabina de registro y la cabina de manejo del camión, mientras que en las unidades marítimas, se encuentra en la parte trasera de la unidad. Un intercambiador de calor es el encargado de permitir el enfriamiento del fluido mediante el refrigerante del camión. Los sistemas hidráulicos dependen de dos factores importantes para operar apropiadamente: la presión y el flujo. Sin embargo se deben tener algunas precauciones al momento de trabajar con los sistemas hidráulicos, como lo son:
Nunca exceder la presión hidráulica recomendada o las posiciones del flujo de cualquiera de los componentes utilizados. Nunca usar una válvula de alivio que exceda la presión hidráulica del motor, hacer esto puede causar una sobrecarga del winch o una falla en la manguera. Siempre se debe asegurar que los componentes del sistema hidráulico funcionen correctamente.
Fluido hidráulico: debe ser de presión extrema, aceite antidesgastante hidráulico e inhibidores de corrosión. Debe contener una espuma que suprima, y tener un rango de viscosidad de 100 – 3 SUS a una temperatura de 60 a 115 °F (15 a 46 °C), la filtración nominal recomendada es de 1 micros o menos. 8
Válvulas de control: Se pueden utilizar dos tipos: 1. Cilindros de centro cerrado con carretes (mucho más utilizados): estas válvulas bloquean el flujo del fluido para y desde el motor, además de un “efecto de quebrado” es implementado para atrapar el fluido a través del
motor.
FIGURA 5. Válvula de cilindros de centro cerrado con carretes. 2. Cilindro de centro abierto de motor con carretes: estas válvulas de control guían el fluido del motor hacia el tanque, además permite que el freno en la serie de sistemas hidráulicos de gran tamaño (XL) funcione correctamente.
FIGURA 6. Válvula de cilindros de centro abierto de motor con carretes.
Ventajas y Desventajas. Podemos hacer referencia a algunas ventajas y desventajas del uso de winches hidráulicos, entre ellas tenemos:
Ventajas Pueden funcionar continuamente, no requieren descansar como los winches eléctricos. Funcionan bien bajo el agua o lodo Suelen tener mayor fuerza que los winches eléctricos. La velocidad puede ser variada infinitamente dentro del rango de velocidad que permita la transmisión
Desventajas Requieren que el motor siempre esté en funcionamiento. Es más costosa y difícil la instalación Necesitan un sistema hidráulico en el vehículo. Las fugas de líquido hidráulico son comunes. Son más caros y hay menos oferta.
9
Capacidad de Arrastre. La capacidad de arrastre de un winch se ve afectada por el número de vueltas que tenga el cable en el rodillo. De manera general, un winch pierde un 10% de capacidad de arrastre por cada vuelta que da el cable sobre sí mismo en el tambor.
FIGURA 7. Ejemplo de pérdida de capacidad según las capas en un winch de Mile Marker de 12.000 libras. Cuanto más cable se desenrolle, menos capas habrá sobre el tambor y por consiguiente se conseguirá una mayor capacidad de arrastre. Si se llegara a necesitar más cable, se puede utilizar las poleas para duplicar la longitud del cable. Utilizando las poleas se aprovecha la ventaja de tener menos cable enrollado y las ventajas mecánicas del uso de la polea duplicando la capacidad de tiro, a costa de reducir la velocidad de enrollado a la mitad.
FIGURA 8. Polea ARB. 10
MARCO METODOLÓGICO Circuito hidráulico
Datos iniciales: Se necesita halar una carga de 2 T, diseñe el circuito hidráulico.
Solución: F = 2T = 2.000 kg
11
Selección del winch. En el catálogo de Warn Industries, se escogió un winch de 6.000 libras, lo equivalente a 2722 kg
12
El winch tiene un caudal de 15 GPM una velocidad de 32 ft/min y una caja reductora de 26:1 y con una presión de 116,7 Bar. El diámetro del tambor vacío es de 64 mm, pero agregándole el diámetro del cable que es de 7,9 mm multiplicado por las 4 capas que acepta el winch, nos da un total de 95,6 mm de diámetro.
Si calculamos la cantidad de cable en milímetros que caben en el tambor en cada capa de vuelta, donde N es el número de capas, nos da:
Para obtener la longitud del cable total, determinamos: 1ra Vuelta 2da Vuelta 3ra Vuelta 4ta Vuelta
vacío vacío + 7,9 mm vacío + 15,8 vacío + 23,7
4 x x 64 mm 4 x x 71,9 mm 4 x x 79,8 mm 4 x x 87,7 mm Total
804,3 mm 903,53 mm 1002,8 mm 1102,1 mm 38012,73 mm
Con estos datos podemos calcular la potencia necesaria para la selección del motor hidráulico.
Se toma un rendimiento mecánico de 0,95 porque este es el más desfavorable comúnmente considerado.
13
Como la caja tiene una relación de 26:1 el motor hidráulico tiene que generar 26 veces menos torque, es decir, 457,17 Lbf.in = 51,65 Nm. Para poder calcular la potencia necesaria en el motor hidráulico, necesitamos la velocidad de giro en RPM, por lo tanto nos queda:
()() () Selección del Motor hidráulico.
Sabemos por teoría que los winch hidráulicos utilizan motores hidráulicos de tipo axial de desplazamiento fijo. Con la potencia calculada, la presión necesaria y el desplazamiento de caudal necesario para el winch seleccionamos el motor del catálogo de Parker. Podemos observar que debemos escoger un motor con valores mucho mayores en cuanto a potencia requerida, presión y caudal, ya que los de valores más cercanos al nuestro no cumplen con el desplazamiento necesario, recordando que el desplazamiento en un motor hidráulico es la cantidad de fluido requerida por el motor para que su eje gire una revolución; el desplazamiento del motor es igual a la capacidad de una cámara multiplicada por la cantidad de cámaras que el motor contiene. Por lo tanto tenemos para escoger entre el motor con tamaño de bastidor F1 81 – M o un motor con tamaño de bastidor F12 80.
14
Seleccionamos el motor con tamaño de bastidor F1 81 – M ya que cumple con todas las especificaciones del winch.
Selección de la Bomba hidráulica.
Con el caudal y la presión seleccionamos la bomba hidráulica, recordando, que las bombas necesarias para los winches hidráulicos son bombas de pistones axiales de desplazamiento variable. Del catálogo de HAWE Hydraulik escogemos la bomba V30E - 095
15
Selección de la tubería
Las mangueras del circuito hidráulico la escogemos con la presión de trabajo y con las temperaturas a las que llegará el fluido de trabajo, en nuestro caso recordemos que el fluido trabaja de 15 a 46 °C y a 116,7 Bar. Como norma general, el diámetro (D) de cualquier tubería de conducción de aceite hidráulico se elegirá tal que la velocidad (v) del fluido por su interior se mantenga dentro de un rango de velocidades. En la práctica se aplican los siguientes valores estándar de velocidad en los conductos:
Tuberías de impulsión: Hasta 50 bares de presión de trabajo: 4,0 m/s. o Hasta 100 bares de presión de trabajo: 4,5 m/s. o Hasta 150 bares de presión de trabajo: 5,0 m/s. o o Hasta 200 bares de presión de trabajo: 5,5 m/s. Hasta 300 bares de presión de trabajo: 6,0 m/s. o
Una vez seleccionado un diámetro (D) para la tubería, se sustituye en la expresión y se recalcula el valor de la velocidad (v) obtenida, comprobándose que se mantiene dentro del anterior rango recomendado de velocidades. Es, por tanto, un proceso iterativo. 16
√
Queda comprobado por medio de las ecuaciones anteriores que el diámetro de 16 mm se ajusta perfectamente a lo que necesitamos. Del catálogo de Parker, escogemos las mangueras de goma del tipo gemelas Parkrimp Compact No Skive.
17
Selección de la Válvula direccional.
La válvula direccional viene acoplada al winch, ya que esta es accionada manualmente por lo que tiene que ser incluido en el diseño del mismo. La válvula es una válvula 4/3 con centro cerrado y retorno por muelle, accionada manualmente por una palanca.
18
Selección de la Válvula limitadora de presión.
Para la válvula limitadora de presión escogemos del catálogo HydraForce, una que cumpla con los requerimientos de presión y caudal necesarios. Escogemos una válvula de alivio de tipo leva, de acción directa.
19
Selección del depósito. Escogemos un depósito del catálogo LOVEJOY número 2117 que puede acumular un total de 16,63 Litros.
20
Selección del motor eléctrico. Como escogimos un winch para un camión remolcador, el motor eléctrico que necesita el winch es el mismo motor del camión, normalmente en estos camiones los motores son 6 cilindros con potencias que pueden ir desde los 400 HP hasta los 600 HP, dependiendo de la marca del mismo, con torques que superan las 500 Lb.ft y rpm de más de 2500
21
CONCLUSIONES Con el siguiente informe pudimos establecer la teoría necesaria a cerca de los winches o cabrestantes hidráulicos, como están compuestos, su funcionamiento, ventajas y desventajas, entre otros. También se pudo realizar el diseño del circuito hidráulico del mismo, haciendo uso de las bases teóricas aprendidas previamente a cerca del winch y también las bases teóricas aprendidas en clase sobre la neumática e hidráulica, en este caso utilizando mayormente la hidráulica. Se concluyó que estos equipos son de gran utilidad al momento de mover o halar cualquier carga que no seamos capaces con nuestra fuerza humana de hacerlo, son máquinas muy versátiles y útiles para cualquier entorno, ya sea personal o industrial, siempre es necesario tener un winch, ya sea mecánico, eléctrico o hidráulico a la mano.
22
BIBLIOGRAFÍA Montesinos, A. (2006). Sistema hidráulico de un winche de remolque para un remolcador de altamar. Valdivia, Chile. Universidad Austral de CHhile. Recuperado de: file:///C:/Users/Alejandro/Downloads/73525676-Calculo-de-UnWinche-Bmfcim779s.pdf Warn Industries. (s.f.). Manual del winch. Informacion necvesaria para el uso Clackamas, USA. Recuperado de: del winch. http://www.hidromobile.cl/download/Manual-Warn_Industrial.pdf González, F. (2012). Diseño de un sistema de carga mecánica al Winch de las unidades de registro de Wireline. Caracas, Venezuela. Universidad Simón Bolívar. Recuperado de: http://159.90.80.55/tesis/000159143.pdf Ylos. (2009). Curso de winch. Reus, España. SlideShare. Recuperado de: http://es.slideshare.net/Ylos/curso-de-winch-programa-1 Warn Industries. (s.f). [Tienda on-line de productos Warn]. Extraído de: https://www.warn.com/industrial/winches/series6_hydraulic.jsp Parker. (s.f). [Catálogo de productos Parker]. Extraído de: https://www.parker.com/literature/Hydraulics%20Group%20Europe/PDF%20files/H Y02-8023-ES.pdf Hydra Force. (s.f). Válvulas hidráulicas de cartucho, Sistemas de manifolds y Extraído de: Controles electrónicos. http://www.hydraforce.com/Literature/Product_Guides/Spanish/HF_PG_SP.pdf Hawe Hydraulik (s.f). [Catálogo de http://hawe.cohimar.com/bombas.pdf
bombas
hidráulicas]
Extraído
de:
Lovejoy. (2015). [Depósitos y accesorios hidráulicos]. Extraído http://www.lovejoy-inc.com/product.aspx?id=1302&LangType=1034
de:
23
