CAPÍTULO 4 BOMBAS Y ACTUADORES HIDRÁULICOS

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1 3.1 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DEL ACEITE HIDRÁULICO MOBIL HYDRAULIC AW Aceites Hidráulicos Antidesgaste CARACTERÍSTICAS TÍPICAS Mobil Hydraulic AW Método de Prueba Gravedad Específica ASTM D ,87 0,88 0,88 Viscosidad, 40 C ASTM D C ASTM D 445 5,4 6,7 8,5 Grado ISO VG ASTM D Índice de viscosidad ASTM D Punto mínimo de fluidez, C ASTM D Punto de inflamación, C ASTM D TAN ASTM D Color ASTM D ,0 2,0 2,0 CAPÍTULO 4 BOMBAS Y ACTUADORES HIDRÁULICOS 4.1 PRINCIPIOS DE LA CONVERSIÓN DE ENERGÍA

2 Para poder generar trabajo útil, un sistema hidráulico debe poder convertir y controlar la energía a medida que fluye de un componente al siguiente. La siguiente imagen representa los puntos clave de conversión y de control en el sistema. Un sistema hidráulico debe recibir energía proveniente de alguna fuente. Esta, por lo general, viene en forma de energía mecánica rotatoria procedente de un motor o del tren de engranajes de un vehículo. La bomba hidráulica convierte la energía mecánica en energía hidráulica, en forma de caudal. Las válvulas controlan la transferencia de energía hidráulica en el sistema, al controlar el caudal del aceite y la dirección en que fluye. El accionador convierte la energía hidráulica en energía mecánica en forma de movimiento, lineal o rotatoria. Esta energía se utiliza para realizar trabajo. 4.2 BOMBAS HIDRÁULICAS Las bombas hidráulicas convierten la energía mecánica en energía hidráulica, en forma de flujo de fluido. Cuando el fluido hidráulico encuentra alguna resistencia, se crea la presión. Aunque las bombas hidráulicas no generan directamente la presión, deben diseñarse para soportar los requisitos de presión del sistema. A continuación se presentan algunos términos que se utilizan frecuentemente para referirse a los diferentes tipos de bombas: de caudal positivo sin fluctuaciones. de caudal fijo. de caudal variable. de presión compensada. de doble dirección. Las bombas de caudal positivo son aquellas que siempre generan flujo cuando están funcionando. La mayoría de las bombas utilizadas en maquinaria son de este tipo. Las bombas de caudal fijo son las que mueven un volumen constante de fluido en cada revolución de ésta. Por otra parte, las bombas de caudal variable pueden ajustar el volumen de fluido que se impele durante cada revolución. Las bombas de presión compensada son de caudal variable equipadas con un dispositivo de control que ajusta la salida de las bombas para mantener la presión deseada en el sistema.

3 Las bombas bidireccionales son reversibles y se accionan en cualquier sentido. Finalmente, el caudal de la bomba se obtiene midiendo el volumen de fluido desplazado durante un período de tiempo determinado. El caudal de una bomba, normalmente, se expresa en galones o litros por minuto BOMBAS DE ENGRANAJES Las bombas de engranajes son bombas de caudal positivo y fijo. Su diseño simple, de recia construcción, las hacen útiles en una amplia gama de aplicaciones. Muchas máquinas usan este tipo de bombas de engranajes. La operación de una bomba de engranajes, es la siguiente: Un eje de accionamiento hace girar el engranaje impulsor, el cual hace girar al engranaje loco. A medida que giran los engranajes, los dientes del engranaje forman un sello contra la caja. El aceite ingresa por la lumbrera de aspiración, quedando atrapado entre los dientes y la caja, y es obligado a salir por la lumbrera de impulsión. La bomba de la figura es de engranajes. Los componentes de esta bomba son los siguientes: 1.- Sellos. 2.- Placa de presión. 3.- Engranaje loco. 4.- Engranaje impulsor. 5.- Caja.

4 4.2.2 BOMBAS DE PALETAS Las bombas de paletas son bombas de caudal positivo y fijo. Estas bombas de larga duración y suave funcionamiento se utilizan frecuentemente en maquinarias de movimiento de tierra. El funcionamiento de la bomba de paletas, es el siguiente: Un eje de impulsión gira el rotor. El aceite penetra en la cámara creada entre las dos paletas y la caja, y es impulsado hacia la lumbrera de salida. La bomba de paletas está constituida por un anillo circular, paletas y un rotor ranurado. Pero, la mayoría de las bombas de paletas son bombas equilibradas, con un par de lumbreras de entrada y un par de lumbreras de salida. Las lumbreras de cada par están ubicadas en lados opuestos. La fuerza centrífuga, los resortes o la presión de aceite, empujan las paletas contra la superficie interior del anillo. Esto permite que las paletas se ajusten automáticamente según el desgaste. La figura muestra una bomba de paletas desmontada. Los componentes de ésta son los siguientes: 1.- Caja de extremo. 2.- Plancha flexible. 3.- Rotor. 4.- Anillo excéntrico. 5.- Paletas. 6.- Sello. 7.- Caja de extremo BOMBAS DE PISTONES Las bombas de pistones pueden ser de caudal fijo o variable, según su diseño. Estas bombas versátiles y eficientes se utilizan frecuentemente en los sistemas hidráulicos de detección de carga y presión compensada. Como se puede ver en este ejemplo, una bomba de pistones de caudal variable está constituida por los siguientes componentes: 1.- Eje impulsor. 2.- Tambor de cilindros. 3.- Placa de la lumbrera. 4.- Pistones. 5.- Retenes. 6.- Placa de retracción. 7.- Plato basculante. El funcionamiento de la bomba de pistones, es el siguiente: El eje impulsor está conectado al tambor de cilindros. A medida que gira, los pistones, que están conectados al plato basculante,

5 suben y bajan en los cilindros. A medida que el pistón se retrae, hace penetrar aceite en el cilindro por la lumbrera de entrada y luego lo expulsa en la carrera descendente por la lumbrera de salida. El caudal de aceite impulsado depende del ángulo del plato basculante. Cuando el plato basculante está situado en un ángulo máximo, habrá el máximo caudal. Cuando está situado en un ángulo cero no habrá caudal. Las bombas de pistones también pueden ser de caudal fijo. Esta bomba posee una caja que coloca el conjunto de tambor y pistones en un ángulo fijo con respecto al eje de impulsión. En este diseño, el eje de impulsión está conectado al plato basculante, haciendo que el tambor de cilindros gire y que los pistones suban y bajen en los cilindros MOTORES HIDRÁULICOS Los motores hidráulicos son actuadores que convierten la energía hidráulica en energía mecánica en forma de movimiento y fuerza giratoria. Se utilizan en las máquinas para impulsar cadenas, ruedas e implementos. Los motores hidráulicos son casi idénticos a las bombas hidráulicas. Esto se aplica a los motores de engranajes, de paletas y de pistones. La diferencia principal consiste en que el aceite a alta presión entra en el motor, haciendo girar los componentes internos. El aceite luego sale del motor a baja presión y regresa al tanque SIMBOLOGÍA DE BOMBAS Y MOTORES Los diagramas esquemáticos según la Organización Internacional de Normas ISO, utilizan formas básicas y simples para representar los diferentes componentes y características. 1.- Bombas y motores. 2.- Acondicionadores de fluido. 3.- Válvulas de control. 4.- Tuberías. Estos símbolos se utilizan en combinación con las formas básicas para ofrecer más información acerca de los componentes. 1.- Variable de control. 2.- Dirección del fluido o flujo de la energía. 3.- Dirección de rotación o flujo. 4.- Bomba de caudal variable. El símbolo básico que representa a una bomba o a un motor hidráulico, es un círculo. Se pueden añadir triángulos al símbolo básico para indicar la dirección del fluido o el flujo de la energía.

6 Las bombas, algunas veces, aparecen conectadas al componente que las impulsa, tal como un motor de combustión o eléctrico. El eje del componente aparece como una línea continua conectada al dibujo del componente. La flecha indica el sentido de giro. Los diagramas esquemáticos ISO indican la función del componente, no el diseño ni el tipo. Por ejemplo, este símbolo ISO, identificado con el número 1, se puede utilizar para representar cualquiera de estas dos bombas de caudal fijo. El número 2 indica una bomba de paletas y el 3 una bomba de pistones. 4.3 ACTUADORES LINEALES CILINDROS La energía del aire comprimido o el líquido a presión se transforman por medio de los cilindros en un movimiento lineal, y mediante motores neumáticos o hidráulicos, en movimiento de (giro). Definiéndose así a los cilindros como elementos que transforman la energía neumática o hidráulica en energía mecánica, y que producen un movimiento rectilíneo. También podemos decir que en el cilindro de pistón la fuerza mecánica se produce en virtud de la presión del fluido que actúa sobre la superficie del émbolo. Así, la energía contenida en el aire comprimido o el líquido a presión, se convierte en trabajo mecánico el cual puede realizar una acción. Los cilindros realizan el máximo esfuerzo cuando empujan, es decir, cuando la presión del aire comprimido actúa sobre la cara del émbolo que no lleva vástago, ya que, entonces, es utilizada la mayor superficie útil del émbolo. Por consiguiente, cuando se desea obtener el máximo rendimiento de un cilindro debe emplearse de forma que realice el esfuerzo en el sentido de la carrera de avance, con salida del vástago. CILINDROS DE SIMPLE EFECTO Estos cilindros tienen una sola conexión de aire comprimido. No pueden realizar trabajos más que en un sentido. Se necesita aire sólo para un movimiento de traslación. El vástago retorna por el efecto de un muelle incorporado o de una fuerza externa. El resorte incorporado se calcula de modo que haga regresar el émbolo a su posición inicial a una velocidad suficientemente grande. En los cilindros de simple efecto con muelle incorporado, la longitud de éste limita la carrera. Por eso, estos cilindros no sobrepasan una carrera de unos 100 mm. Se utilizan principalmente para sujetar, expulsar, apretar, levantar, alimentar, etc.

7 UBICACIÓN DEL RESORTE INTERNO EN CILINDROS DE SIMPLE EFECTO EMBOLO DEL CILINDRO La estanqueidad se logra con un material flexible (perbunano), que recubre el pistón metálico o de material plástico. Durante el movimiento del émbolo, los labios de junta se deslizan sobre la pared interna del cilindro. En la segunda ejecución aquí mostrada, el muelle realiza la carrera de trabajo; el aire comprimido hace retornar el vástago a su posición inicial. Aplicación: frenos de camiones y trenes. Ventaja: frenado instantáneo en cuanto falla la energía. CILINDROS DE DOBLE EFECTO La fuerza ejercida por el aire comprimido anima al émbolo, en cilindros de doble efecto, a realizar un movimiento de traslación en los dos sentidos. Se dispone de una fuerza útil tanto en la ida como en el retorno Los cilindros de doble efecto se emplean especialmente en los casos en que el émbolo tiene que realizar una misión también al retornar a su posición inicial. En principio, la carrera de los cilindros no está limitada, pero hay que tener en cuenta el pandeo y doblado que puede sufrir el vástago salido. También en este caso, sirven de empaquetadura los labios y émbolos de las membranas. COMPONENTES INTERNOS Aquí se muestra un cilindro de doble efecto, con sus principales componentes: 1.- Varilla o vástago. 2.- Tubo del cilindro. 3.- Cáncamo de la tapa. 4.- Cáncamo de la varilla. 5.- Cabeza del cilindro. 6.- Puntos de conexión. 7.- Pistón. 8.- Tuerca del pistón.

8 La cabeza del cilindro rodea el extremo abierto del éste y tiene una apertura por la cual la varilla entra y sale. Puede ir atornillada al cilindro o unida a él por medio de pernos de anclaje o de bridas empernadas. La cabeza del cilindro de corona roscada, enrosca en la parte exterior del tubo del cilindro. La cabeza del cilindro de cuello portasellos roscado, enrosca en la parte interior del tubo del cilindro. Un cilindro hidráulico posee diferentes tipos de sellos: 1.- Sello limpiador de la varilla. 2.- Sello amortiguador de la varilla. 3.- Sello del Pistón. 4.- Anillo de desgaste del pistón. 5.- Sello de la varilla. 6.- Anillo de desgaste de la varilla. 7.- Sello de la cabeza. Los sellos dinámicos son los que se utilizan entre las superficies en las cuales se produce movimiento entre las superficies. Los sellos estáticos se utilizan entre superficies en donde no hay movimiento. Una característica adicional de algunos cilindros hidráulicos son los amortiguadores. Estos dispositivos reducen la velocidad del pistón a medida que la varilla se acerca al extremo de su carrera, disminuyendo la intensidad del impacto. 1.- Amortiguador. 2.- Pistón. 3.- Varilla. 4.- Cilindro. Los cilindros de simple efecto son impulsados en un solo sentido. El aceite que entra en una sola lumbrera hace que el actuador se extienda. El peso de la carga retrae el actuador. Los cilindros de doble efecto son impulsados hidráulicamente en los dos sentidos. Los cilindros telescópicos de simple efecto tienen una varilla interior y una exterior (también pueden tener más de 2 varillas). La varilla exterior sale primero hasta que queda totalmente extendida, después comienza a salir la varilla exterior. Ambas secciones se retraen por gravedad. La grúa horquilla de la figura está equipada con cilindros de simple efecto, con el objeto de alcanzar mayores alturas. En el caso de los cilindros telescópicos de doble efecto, se extiende primero la varilla exterior y luego la interior. Pero es el

9 aceite quien retrae primero la varilla interior y luego la exterior. El camión de obras de la figura, utiliza dos cilindros telescópicos de doble efecto para elevar y bajar la tolva. Un cilindro de dos varillas (doble vástago), tiene un pistón con una varilla en cada extremo. Esto proporciona un área de trabajo de igual efectividad a ambos lados del pistón, equilibrando las fuerzas de trabajo del cilindro. La figura siguiente muestra un cilindro de doble vástago, implementado en un sistema de dirección, para equilibrar las fuerzas de trabajo al girar. Las figuras que se muestran a continuación corresponden a una proyección ortogonal de un cilindro de doble efecto (1) y, a la proyección ortogonal de un cilindro de doble vástago (2) SIMBOLOGÍA DE CILINDROS El símbolo básico de los cilindros es un rectángulo que representa el tubo del cilindro y, una representación del pistón y la varilla en forma de T (1). Algunas veces la varilla y el pistón aparecen más detallados (2). El símbolo de un cilindro de simple efecto señala la lumbrera única y la otra lumbrera se deja abierta para indicar que tiene descarga (3). En la figura (1) se muestra el símbolo de un cilindro de doble efecto. Las dos lumbreras significan que el flujo mueve el cilindro en ambas direcciones. La figura (2) muestra el símbolo de un cilindro de doble vástago o doble varilla. El símbolo de un cilindro telescópico indica la cantidad de varillas que posee. Una solo lumbrera y varillas de extremo abierto indican un cilindro telescópico de simple efecto (1). Los cilindros telescópicos de doble efecto aparecen con dos lumbreras y con los extremos de las varillas cerradas. El amortiguador de un cilindro se representa a través de un rectángulo pequeño situado a un lado o a ambos lados del pistón (1). Una línea diagonal que atraviesa el rectángulo indica que el amortiguador tiene una restricción de caudal variable.