6. UNIDAD HIDRÁULICA.

Transcripción

1 6. UNIDAD HIDRÁULICA. La unidad hidráulica es el elemento del circuito hidráulico encargado de almacenar el fluido hidráulico y proporcionar la potencia hidráulica (presión y caudal) necesaria para el funcionamiento del circuito. La unidad hidráulica, de la que se muestra un ejemplo en la figura 1, consiste en general de un depósito, unos filtros, una bomba, un motor que impulsa esa bomba, un manómetro y otros elementos orientados a la disipación del calor DEPÓSITO. Figura 1. Es el elemento más voluminoso de la unidad hidráulica y donde se va a almacenar el fluido hidráulico. El depósito ha de cumplir varias funciones: Almacenar el fluido de trabajo. Dejar en su parte superior espacio suficiente para que el aire se separe del fluido. Permitir que los contaminantes sedimenten. Disipar el exceso de calor del fluido generado en su paso por el sistema. Es deseable un depósito grande para facilitar el enfriamiento y la sedimentación de sustancias indeseadas. Así mismo, esto evitará la formación de remolinos en el orificio de aspiración de la bomba lo que provocaría la introducción de aire en el circuito. En general se suele emplear depósitos cuya capacidad sea dos o tres veces la capacidad que puede aspirar la bomba por minuto. También disponen de un respiradero con su correspondiente filtro que ha de tener un tamaño adecuado en función del caudal de la bomba para mantener la presión atmosférica en el interior del depósito. A lo largo del depósito se dispone una placa desviadora con una altura de 2/3 de la del nivel de fluido cuyo propósito es separar la línea de entrada del fluido a la bomba de la de retorno del circuito para evitar que recircule sin que antes se haya producido su decantación en el depósito. Así esta placa facilita la sedimentación y eliminación de contaminantes, la eliminación de calor y la formación de turbulencias. Por último, como norma general, la mayoría de las conducciones que llegan al depósito, tanto de aspiración como de retorno, han de situarse bajo el nivel de fluido FILTROS. Los filtros hidráulicos se emplean para el control de la contaminación por partículas sólidas de origen externo y las generadas internamente por procesos de desgaste o de erosión de las superficies de la maquinaria, permitiendo preservar la vida útil tanto de los componentes del equipo como del fluido hidráulico. Hay diferentes tipos de filtros. Filtro de impulsión o de presión: situado en la línea de alta presión tras el grupo de impulsión o bombeo, permite la protección de componentes sensibles como válvulas o actuadores. Colegio Zurbarán. 1 Tecnología Industrial II

2 Filtro de retorno: en un circuito hidráulico cerrado, se emplaza sobre la conducción del fluido de retorno al depósito a baja presión o en el caso de filtros semi-sumergidos o sumergidos, en el mismo depósito. Actúan de control de las partículas originadas por la fricción de los componentes móviles de la maquinaria. Filtro de venteo, respiración o de aire: situado en los respiraderos del equipo, permite limitar el ingreso de contaminantes procedentes del aire. Filtro de recirculación: situados off-line, normalmente sobre la línea de refrigeración que alimenta el intercambiador de calor, permiten retirar los sólidos acumulados en el depósito hidráulico. Filtro de succión: llamados también strainers, se disponen inmediatamente antes del grupo de impulsión a manera de proteger la entrada de partículas al cuerpo de las bombas. Filtro de llenado: se instalan, de manera similar a los filtros de venteo, en la entrada del depósito habilitada para la reposición del fluido hidráulico de manera que permiten su filtración y la eliminación de posibles contaminantes acumulados en el contenedor o la línea de llenado de un sistema centralizado. En general, los filtros están constituidos por un conjunto formado por: El elemento filtrante o cartucho. La carcasa o contenedor. Dispositivo de control de colmatación. Válvulas de derivación, antirretorno, purgado y toma de muestras. En la figura 2 se muestran ejemplos de la carcasa externa y distintos elementos filtrantes de un filtro hidráulico. Carcasa exterior filtro hidráulico Distintos elementos filtrantes ELEMENTO FILTRANTE. Figura 2. La naturaleza del elemento filtrante depende de las características del fluido, presión, caudal y del tipo de sustancias a filtrar. En general, los elementos filtrantes hidráulicos emplean materiales sintéticos para conformar un medio filtrante profundo formado por fibras entrecruzadas resistentes que atrapan las partículas por mecanismos de bloqueo o adhesión, diseñados con una geometría plegada de manera a optimizar el máximo de medio filtrante en el menor espacio posible. Este tipo de filtros no permiten su regeneración y deben sustituirse una vez que resultan colmatados. Los medios filtrantes metálicos suponen una resistencia menor o pérdida de carga en fluidos de alta viscosidad y permiten ser reutilizados tras algún proceso de regeneración o limpieza aunque su rendimiento y eficacia disminuye progresivamente. Otro material de frecuente utilización es el empleado para los medios con base de fibras de papel o celulosa reforzada que representan un coste menor pero resultan de menor eficacia que los sintéticos. Colegio Zurbarán. 2 Tecnología Industrial II

3 Además del medio filtrante, se emplean diferentes materiales para construir el núcleo del filtro, en torno al cual se desarrolla el medio, capas de soporte y refuerzo para aumentar su resistencia o propiedades dinámicas o el cerramiento que le protege de deformaciones. Las juntas o asientos permiten asegurar el ajuste necesario del filtro a su carcasa o contenedor de manera a asegurar la máxima estanqueidad del dispositivo. CARCASA. La carcasa del filtro se compone en los filtros de presión, de retorno o de recirculación de una cabeza conectada de manera permanente a las líneas de conducción del fluido en el circuito. En su interior, la cabeza puede alojar una válvula de derivación o by-pass que permite el paso libre de fluido en caso de colmatación del elemento filtrante. Dentro de la carcasa se encuentra la cubeta que permite el acceso al elemento filtrante. DISPOSITIVO DE CONTROL. Mediante canales internos que entran en contacto con el fluido a la entrada y a la salida del sistema, en la cabeza se instala el dispositivo de control de colmatación por medida de la presión diferencial. La misión del dispositivo es la de advertir del momento de sustitución del elemento filtrante ya que a medida que aumenta la retención de sólidos, aumenta la pérdida de carga. Estos dispositivos pueden ser desde un simple manómetro hasta conjuntos electrónicos que registran la variación de presión con el tiempo. VÁLVULAS. El sistema se completa por diversas válvulas o llaves que permiten aislar el filtro para su manutención o prevenir los efectos asociados a las variaciones de presión. La válvula de by-pass, normalmente alojada en la cabeza o la válvula antirretorno se emplean para evitar el «golpe de ariete». Otras válvulas permiten el purgado de aire o el vaciado de la cubeta. Accesoriamente, pueden incluirse válvulas especiales para la toma de muestras del fluido BOMBAS HIDRÁULICAS. Su función es transformar la energía mecánica suministrada por el motor en hidráulica. En los circuitos oleohidráulicos la bomba no crea presión por comprimir o reducir el volumen del fluido sino empujando el fluido que pasa a través de unos conductos o de unas restricciones. Es decir, las bombas aportan presión a partir de intentar introducir más aceite en el circuito. Si un circuito no tuviera fugas, ni fuera posible ninguna circulación de aceite, la presión iría aumentando (en fracciones de vuelta de la bomba) hasta frenar el motor de arrastre o romper la bomba o las conducciones. Es por esto que en cualquier circuito hay que poner elementos de protección contra sobrepresiones y siempre evitar que se bloquee el paso del fluido hidráulico. Además, en estos circuitos, sólo existe presión mientras la bomba trabaje, a diferencia de los circuitos neumáticos en los que es posible almacenar el aire a presión. Las bombas se pueden clasificar en dos grandes grupos: bombas hidrodinámicas y bombas y hidrostáticas. BOMBAS HIDRODINÁMICAS. Estas bombas, también llamadas de desplazamiento no positivo, funcionan en su mayoría mediante la fuerza centrifuga. En ellas el fluido es tomado del depósito y entra por el centro del cuerpo de la bomba a una velocidad considerable y, a medida que el impulsor o rodete gira se desplaza por el interior de la bomba disminuyendo la velocidad y aumentando su presión hasta que es expulsado hacia el exterior. La presión que alcanzan depende de la velocidad de giro y del del tamaño del rotor. No existe ninguna separación entre los orificios de entrada y de salida, entre el rodete y la carcasa de la bomba. Esto hace que su desplazamiento (volumen de fluido entregado por revolución) disminuya al aumentar su resistencia pues las fugas, debidas a la no estanqueidad Colegio Zurbarán. 3 Tecnología Industrial II

4 entre el cuerpo de la bomba y la carcasa, aumentan. De hecho es posible bloquear completamente el orificio de salida en pleno funcionamiento de la bomba lo que haría que el motor siguiera girando pero sin conseguir entregar potencia hidráulica al circuito. Por ésta y otras razones las bombas de desplazamiento no positivo se utilizan muy pocas veces en los sistemas hidráulicos modernos usándose principalmente cuando hay que transferir grandes caudales de fluidos donde la única resistencia que se encuentra es la creada por el peso del mismo fluido y el rozamiento con los conductos. Es decir, son sólo usadas para el trasiego del aceite de un punto al otro del circuito. Las más conocidas son las bombas centrífugas o de turbina, cuyo esquema junto con un ejemplo de su apariencia real se muestran en la figura 3. Esquema de bomba de turbina Bomba de turbina BOMBAS HIDROSTÁTICAS. Figura 3. Como indica su nombre, las bombas hidrostáticas o de desplazamiento positivo o volumétricas suministran una cantidad determinada de fluido en cada carrera, revolución o ciclo. Su desplazamiento, exceptuando las pérdidas por fugas, es independiente de la presión de salida, lo que las hace muy adecuadas para la transmisión de potencia. En estas bombas se adquiere la presión aspirando el fluido del depósito e impulsándolo hacia el circuito sin necesidad de aumentar su velocidad. Estas bombas guían al fluido que se desplaza a lo largo de toda su trayectoria, el cual siempre está contenido entre el elemento impulsor, que puede ser un embolo, un diente de engranaje, un aspa, un tornillo, etc., y la carcasa o el cilindro. El movimiento del desplazamiento positivo consiste en el movimiento de un fluido causado por la disminución del volumen de una cámara. Por tanto, el elemento que origina el intercambio de energía no tiene necesariamente movimiento alternativo (émbolo), sino que puede tener movimiento rotatorio (rotor). Sin embargo, en las máquinas de desplazamiento positivo, tanto reciprocantes o alternativas como rotatorias, siempre hay una cámara que aumenta de volumen (succión) y disminuye volumen (impulsión) (por esto reciben el nombre de volumétricas ). Características de las bombas hidrostáticas. Desplazamiento (o cilindrada). Es el volumen de líquido bombeado por cada vuelta completa. Esta es una constante constructiva de la bomba aunque en algunas, variando mediante algunos controles su geometría, es posible regularlo entre un valor máximo y otro mínimo. Rendimiento volumétrico. Es el cociente entre el caudal real y el teórico. El caudal teórico se obtiene multiplicando el desplazamiento por la velocidad de giro de la bomba. El caudal real es siempre algo menor que el teórico debido a las fugas internas. A medida que aumenta la presión, estas fugas son mayores y el rendimiento menor. Rendimiento total. Como cualquier máquina, es el cociente entre la potencia hidráulica entregada y la mecánica consumida. Colegio Zurbarán. 4 Tecnología Industrial II

5 Presión nominal. Es la presión de trabajo para la que está fabricada la bomba. Tipos de bombas hidrostáticas. Bombas de engranajes. Formada por dos engranajes perfectamente acoplados dentro de una carcasa dispuesta con los correspondientes orificios de aspiración e impulsión del fluido. Uno de los engranajes está conectado al eje del motor y el otro, impulsado por el primero, gira en sentido contrario. Lo que sucede es el origen de un vacío en la aspiración cuando se separan los dientes, por el aumento del volumen en la cámara de aspiración, lo que hará que ingrese aceite en la bomba. Existen dos tipos, las bombas de engranajes internos, en los que un engranaje gira en el interior de otro al que arrastra, y las bombas de engranajes externos en los que los engranajes engranan exteriormente. En este último tipo el aceite es transportado por la parte exterior de los engranajes, entre éstos y la carcasa de la bomba, a medida que los dientes en su giro se van alejando hacia la cámara de impulsión. Cuando los dientes vuelven a entrar en contacto los unos con los otros disminuye el volumen y el fluido se ve obligado a salir por los conductos de impulsión. De manera similar funcionan las bombas de engranajes internos pero en este caso el aceite es transportado en el espacio que queda entra los dos engranajes. Son las bombas más económicas. Son robustas y su rendimiento volumétrico puedes superar el 90%. El inconveniente es que son muy ruidosas. En la figura 4 se muestran esquemas e imágenes de bombas de engranajes internos y externos. Esquema de bomba de engranajes externos Sección de una bomba de engranajes externos Esquema de bomba de engranajes internos Sección de una bomba de engranajes internos Bombas de paletas. Figura 4. Están constituidos por un rotor con cierta excentricidad respecto a una carcasa exterior dentro de la cual gira. Radialmente al rotor y en unas ranuras se disponen una serie de paletas retráctiles que crean diferentes cámaras entre ellas, la carcasa o anillo y el rotor. Durante la rotación, a medida que aumenta el espacio de las cámaras, debido a la excentricidad del motor que hace que las paletas se expandan o retraigan, se crea un vacío que hace que entre el fluido por el orificio de aspiración. Cuando se reduce el espacio, se ve forzado a salir. Colegio Zurbarán. 5 Tecnología Industrial II

6 En algunos casos en estas bombas se puede variar la excentricidad del rotor permitiendo así regular el desplazamiento y, por tanto, su caudal. Bombas de husillos o tornillos helicoidales. Consisten en dos o tres engranajes helicoidales que engranan axialmente dentro de una carcasa. En estas bombas, el fluido que rodea los rotores en la zona de aspiración es atrapado a medida que estos giran, es empujado y forzado a salir por el otro extremo. Son bombas muy silenciosas por generar pocas vibraciones por los que sus principales aplicaciones se dan en sistemas hidráulicos donde el nivel sonoro debe controlarse. Bombas de lóbulos. Son muy similares a las bombas de engranajes con la diferencia de que los elementos rotativos son lobulares en lugar de engranajes. Cuando los lóbulos son internos se la bomba se llama gerotor. Tienen un desgaste menor por la reducida relación de velocidad existente. Son utilizadas en caudales pequeños. En la figura 5 se muestra un esquema y una imagen real de la sección de una bomba de lóbulos. Esquema de bomba de lóbulos externos Sección de una bomba de lóbulos externos Bombas de pistones. Figura 5. Las bombas de pistones están formadas por un conjunto de pequeños pistones que se mueven alternativamente dentro de sus cilindros. Al retraerse o expandirse aspiran el fluido hidráulico y al comprimirse lo impulsan hacia el circuito. Mientras unos pistones aspiran el fluido, otros están impulsándolo, consiguiendo así un flujo más continuo, más aún cuanto mayor sea el número de pistones que forman la bomba. La eficiencia de estas bombas es, en general, mayor que las de cualquier otro tipo, permitiendo además presiones de trabajo más elevadas. Por contra, sus tolerancias muy ajustadas las hacen muy sensibles a la contaminación del líquido. Estos pistones pueden disponerse lineal, radial o axialmente, dando lugar a diferentes tipos de bombas. Bombas de pistones lineales. En estas bombas, también llamadas transversales, u oscilantes los pistones se disponen perpendicularmente al eje del motor unidos a través de unas bielas a un cigüeñal que convierte el movimiento circular en alternativo. En los cilindros se disponen una serie de válvulas, unas para el conducto de admisión y otra para el de impulsión que se abren y cierran sincronizadas con el movimiento del pistón. Aunque son las que tienen un diseño más sencillo son las menos usadas al ser voluminosas y menos eficientes debido a las masas de inercia del conjunto pistonesbiela-cigüeñal. Colegio Zurbarán. 6 Tecnología Industrial II

7 Bombas de pistones radiales. En estas bombas los pistones están ubicados radialmente en un bloque de cilindros que gira alrededor de un pivote estático al que llegan los conductos de aspiración e impulsión, moviéndose perpendicularmente con relación al eje de giro. Este bloque además se halla dentro de una carcasa dispuesto excentricamente a ella de manera que al girar permite a los pistones expandirse, momento en el cual el cilindro se halla en contacto con el conducto de aspiración, o les fuerza a comprimirse, momento en el cual los cilindros se hallan en contacto con el conducto de impulsión. El desplazamiento de la bomba viene determinado por el número de pistones y su capacidad. En algunos casos este desplazamiento puede regularse variando la excentricidad del bloque de cilindros. En la figura 6 se muestra un esquema y una imagen real de una bomba de pistones radiales. Esquema de bomba de pistones radiales Bomba de pistones radiales Bombas de pistones axiales. Figura 6. Son las más empleadas actualmente. Consisten en un grupo de pistones dispuestos en un tambor de cilindros llamado barrilete, dentro de los cuales se moverán los pistones. Éstos se apoyan por su parte posterior en un plato inclinado respecto al eje del barrilete y éste último queda cerrado por su parte anterior por una placa de distribución o de válvulas con sendos orificios de admisión del depósito e impulsión al circuito. Al estar en ángulo el eje del barrilete y el del plato de apoyo de los pistones, la distancia entre los pistones y la placa de válvulas cambia constantemente durante la rotación. Individualmente cada pistón se separa de la placa de válvulas durante media revolución, y se acerca a ésta durante la otra media revolución. La placa de válvulas tiene los orificios dispuestos de forma tal que la aspiración está abierta a los orificios de los cilindros en la zona de la revolución en que éstos se separan de la placa y su orificio de salida está encarado a los orificios de los pistones en la zona del giro en la que los pistones se acercan a la placa de válvulas. Así, durante el giro de la bomba los pistones succionan fluido hacia el interior de los cilindros y, posteriormente, lo expulsan por la cámara de salida. Hay diferentes principios constructivos. En algunos es el barrilete el que gira y el plato posterior está fijo, en otros casos es al revés y en algunos casos el eje del barrilete está inclinado respecto al del eje del motor. En la figura 7 se muestra una representación y una sección de una bomba de pistones axiales. Colegio Zurbarán. 7 Tecnología Industrial II

8 Esquema de bomba de pistones axiales Representación de una bomba de pistones axiales Figura ACUTADORES HIDRÁULICOS. En hidráulica existen dos tipos de actuadores: los cilindros y los motores MOTORES HIDRÁULICOS. Los motores hidráulicos realizan la función inversa a las bombas, es decir, convierten la energía hidráulica en energía mecánica. Constructivamente son muy parecidos a las bombas sólo que en los motores, en lugar de impulsar el fluido hacia el circuito como hacen las bombas, son impulsados por éste generando un par de giro. El fluido, una vez realizado su trabajo, es derivado hacia el depósito. Las características más importante de los motores hidráulicos son: El par. Cilindrada o desplazamiento. Es la cantidad fluido que requiere para dar una vuelta completa o revolución. Se expresa en cm 3 por revolución. Presión de trabajo. Depende de su par y su cilindrada. En general, cuanto mayor sea el desplazamiento, menor será la presión necesaria para que un motor desarrolle un determinado par. Hay tres tipos de motores hidráulicos. Motores de engranajes. Consistentes en dos engranajes perfectamente acoplados que consiguen el impulso de giro por la presión que ejerce en sus dientes el fluido que entra en ellos. Ambos engranajes giran sincronizados y en sentido opuesto aunque sólo uno está conectado al eje. Debido a la diferencia de presión entre la entrada y la salida sufren elevadas cargas laterales en los engranajes, eje y cojinetes por lo que se les practica orificios internos para equilibrar esas presiones. Pueden trabajar con presiones de hasta 150 kp/cm 2 y hasta 2500 rpm y su sentido de giro se puede cambiar variando la dirección de circulación del caudal de fluido. Sus principales ventajas son el precio, sencillez y robustez, aunque sus rendimientos suelen ser bajos. Motores de paletas. En estos motores, el par se consigue por la presión que ejerce el fluido sobre unas paletas que entran y salen de las ranuras practicadas en un bloque rotor que gira dentro de una cámara o estator con cierta excentricidad respecto a ella. El rotor se halla unido al eje del motor o accionamiento que girará solidario a él. Colegio Zurbarán. 8 Tecnología Industrial II

9 El fluido entra en el motor en la zona donde el volumen de las cámaras creadas entre el rotor, las paletas y el estator es mínimo y empieza a aumentar y se dirige hacia el depósito cuando este volumen es máximo y empieza a disminuir. Son motores de empleo muy frecuente. Motores de pistones. En este tipo de motores se genera un par por la presión que ejerce en el extremo de los pistones la entrada del fluido. En estos motores los pistones se mueven dentro de unos cilindros dispuestos en un barrilete. Existen tres tipos constructivos. En los motores de pistones axiales y horizontales el eje de accionamiento del motor y el del barrilete de cilindros tienen el mismo eje de rotación. Al pie de los pistones se halla una placa inclinada sobre la que éstos empujan cuando son impulsados por la admisión del fluido a presión, originando así una rotación del barrilete y de los cilindros. Cuando la rotación sobre la placa obliga a los pistones a retraerse el fluido es expulsado hacia el depósito. El par es proporcional a la superficie de los pistones y se puede aumentar al variar su desplazamiento aumentando la inclinación de la placa aunque esto implica también una reducción de la velocidad. En los motores de pistones axiales en ángulo el bloque de cilindros y el eje de accionamiento están montados formando un ángulo entre sí unidos mediante una junta cardan. El principio de funcionamiento es similar a los anteriores y también es posible variar su desplazamiento variando el ángulo de inclinación. También existen los motores de pistones radiales, similares a las bombas homónimas, en los que el par se consigue al entrar el fluido en los pistones que se deslizan radialmente dentro de un bloque rotor al que hacen girar excéntricamente respecto a la carcasa. Los pistones, al seguir esta caracas son obligados a realizar un movimiento alternativo, entrando fluido en sus cilindros cuando el giro les permite expandirse y devolviendo el fluido al depósito cuando le obliga a retraerse. En general proporcionan un par mayor y menor velocidad que los motores axiales. Colegio Zurbarán. 9 Tecnología Industrial II