Bombas Hidráulicas (3): Bombas de Pistones

En las bombas de pistones, un pistón se desplaza alternativamente aspirando el fluido de la zona de admisión y enviándolo hacia la salida. Según la posición de los pistones y el método de accionamiento de éstos, las bombas de pistones se clasifican en bombas de pistones en línea con placa inclinada, bombas de pistones en ángulo, bombas de pistones radiales y bombas de pistones oscilantes.

Bombas de Pistones en línea con placa inclinada

En ellas el conjunto de los cilindros y el eje de accionamiento tienen la misma línea central y los pistones se mueven alternativamente en sentido paralelo al eje. El tipo más sencillo se muestra en la figura:

Bomba hidráulica de pistones en línea con placa inclinada

El eje de accionamiento hace girar el barrilete, conteniendo los pistones, que están ajustados en sus alojamientos y conectados mediante patines y un anillo inclinado, de forma que los patines están apoyados sobre una placa circular inclinada.

A medida que el barrilete gira, los patines siguen la inclinación de la placa, haciendo que los pistones tengan un movimiento alternativo. Los orificios, en la placa de distribución, están dispuestos de tal forma que los pistones pasan por la entrada cuando empiezan a salir de sus alojamientos y por la salida cuando se les obliga a entrar.

Las bombas de pistones son muy eficaces ya que sirven para desplazamientos pequeños hasta muy elevados. La mayoría de ellas puede funcionar con presiones entre 105 y 210 kp/cm2, pudiendo llegar a presiones mucho más altas.

Bomba de Pistones en ángulo

Estas bombas son una variante de las bombas de pistones con placa inclinada. En este caso el eje tambor forma un ángulo de unos 25º con el cuerpo de la bomba, lo que provoca el mismo efecto que en el caso de las bombas con placa inclinada. Los pistones están fijados a la brida del eje mediante juntas esféricas. Al girar los pistones entran o salen de sus alojamientos según varía la distancia entre el tambor y la brida. Algunas ejecuciones permiten variar este ángulo y con ello el caudal.

Bomba hidráulica de pistones en ángulo

Bombas de Pistones radiales

En una bomba radial, el bloque de cilindros gira sobre un pivote estacionario y dentro de un anillo circular o rotor. A medida que el bloque va girando, al fuerza centrífuga, la presión hidráulica o alguna forma de acción mecánica, obliga a los pistones a seguir la superficie interna del anillo, que es excéntrico con relación al bloque de cilindros. Al tiempo que los pistones se desplazan alternativamente, en sus cilindros, los orificios localizados en el anillo de distribución le permiten aspirar fluido cuando se mueven hacia afuera y descargarlo cuando se mueven hacia adentro.

El desplazamiento de la bomba viene determinado por el tamaño y número de los pistones y naturalmente por la longitud de carrera.

Bomba hidráulica de pistones radiales

Bombas de Pistones oscilantes

Al igual que un motor de explosión, los pistones se mueven en un sentido lineal dentro de su correspondiente cilindro por el esfuerzo transmitido por un cigüeñal, una excentricidad del eje o un plato. En el motor de explosión el cigüeñal lógicamente es el eje de salida, en la bomba es el eje primario por el que recibe la energía, mediante motores eléctricos habitualmente, y los pistones del motor son los que en la bomba generarían la presión y el caudal. Para controlar el flujo del fluido hidráulico son necesarias válvulas antirretorno en los conductos de admisión e impulsión

Estas bombas tienen como ventajas que ofrecen un sistema de estanqueidad mucho mejor entre la entrada y la salida, además que en estas bombas la lubricación de las partes móviles puede hacerse con un fluido distinto al bombeado.

Bomba hidráulica de pistones oscilantes

Bombas Hidráulicas (2): Bombas de Engranajes y Bombas de Paletas

Atendiendo a la forma constructiva de las bombas y a su diseño, podemos clasificar las bombas de muy diversas maneras, pero la más habitual es la clasificación en tres grandes grupos: Bombas de Engranajes, Bombas de Paletas y Bombas de Pistones. En esta entrada del blog se va a hablar de los dos primeros grupos.

Bombas de Engranajes

Las bombas de engranajes son compactas, relativamente económicas y tienen pocas piezas móviles. Las bombas de engranajes externas se componen de dos engranajes, generalmente del mismo tamaño, que se engranan entre si dentro de una carcasa. El engranaje motriz es una extensión del eje impulsor. Cuando gira, arrastra al segundo engranaje. Cuando ambos engranajes giran, provocan un vacío parcial en la cámara de entrada y el fluido se introduce a la bomba través del orificio de entrada. Este fluido queda atrapado entre la carcasa y los dientes de rotación de los engranajes, se desplaza alrededor de la carcasa y es empujado a través del orificio de salida. La bomba genera flujo y presión, de modo que transfiere energía desde la fuente de entrada, que es mecánica, hasta un actuador de potencia hidráulica.

Bomba Hidráulica de Engranajes Externos

Con el mismo principio de funcionamiento se encuentran las bombas de engranajes internos, las bombas de lóbulo y las bombas gerator. La figura siguiente muestra la forma constructiva de esta clase de bombas.

Bomba de Engranajes Internos

Bomba de Lóbulos

Bomba Gerator

Bombas de Paletas

Están construidas por una carcasa de sección circular, con una anillo ajustado en su interior. Dentro de este anillo gira excéntricamente un rotor ranurado, en cuyas ranuras se alojan una paletas que pueden desplazarse radialmente.

El rotor está conectado a un motor eléctrico mediante un eje. Cuando el rotor gira, las paletas se mantienen apoyadas contra la superficie de anillo, ya que tienden a salir gracias a la fuerza centrífuga y a la presión aplicada en la parte interior de las mismas gracias a unos muelles, formando un sello positivo. El fluido entra a la bomba y llena el área de volumen grande formada por el rotor descentrado. Cuando las paletas empujan el fluido alrededor de la leva, el volumen disminuye y el fluido se empuja hacia afuera a través del orificio de salida.

Bomba de paletas

Para comprender el funcionamiento de este tipo de bombas durante la admisión hay que recurrir a la excentricidad. Gracias a la excentricidad se genera una zona, mediante las paletas y la carcasa, que hace la función de cierre hermético que impide que el aceite retroceda durante el funcionamiento de la bomba. A partir de esa zona y producto de la fuerza centrífuga, las paletas salen de las ranuras del rotor, ajustándose a la superficie interna del anillo, así entre cada par de paletas se crean cámaras que hacen aumentar el volumen y disminuir la presión, con lo que es posible asegurar el continuo suministro de aceite. El aceite es tomado de estas cámaras y trasladado a la zona de descarga.

Bombas Hidráulicas (1): Introducción

La bomba hidráulica es probablemente el componente más importante y constituye un campo muy complejo ya que se construyen en varios modelos y tamaños, con muchos y diferentes mecanismos de bombeo, a la vez que para múltiples y numerosos propósitos. Sin embargo, una clase de ellas tiene interés para los sistemas oleohidráulicos; las bombas hidrostáticas o de desplazamiento positivo (también llamadas volumétricas) que dan una cantidad específica de fluido para cada carrera, revolución o clclo. Requieren una válvula de seguridad para protegerla contra sobrecargas.

Para garantizar una larga vida de la bomba y demás elementos del circuito, se sugiere utilizar un filtro de aspiración de 100-150 micras y otro de presión o de retorno de 25 micras o más fino. Además se aconseja atender en cada situación a las recomendaciones del fabricante sobre el tipo de aceite hidráulico mineral a usar, así como temperaturas de trabajo y puesta en marcha inicial.

Bombas Hidrostáticas

Estas bombas se denominan de desplazamiento positivo. Su desplazamiento (cantidad de fluido movido en cada revolución) se mantiene constante en un amplio rango de presiones, independientemente de la presión que deban vencer a la salida. Realmente, este desplazamiento disminuye ligeramente con el aumento de la presión debido a las pérdidas producidas por el aumento de las fugas internas, lo que determina la curva característica de la bomba.

Según se pueda o no modificar el caudal que suministra, nos podemos encontrar con bombas de desplazamiento fijo o variable. En el caso de bombas de desplazamiento fijo, los catálogos indican frecuentemente el caudal a 1000 ó 1500 rpm.

Algunas bombas nos pueden aportar un caudal variable que puede ser modificado entre cero y un valor máximo, e incluso invertir la dirección del fluido. Esta variación se puede realizar mediante controles externos, reduciendo o aumentando las dimensiones de la cámara de bombeo.

Símbolos Bombas Hidráulicas

Depósitos Hidráulicos

La principal función del depósito o tanque hidráulico es almacenar aceite, aunque no es la única. El tanque también debe eliminar el calor y separar el aire del aceite. Los tanques deben tener resistencia y capacidad adecuadas, y no deben dejar entrar la suciedad externa. Los dos tipos principales de tanques hidráulicos son: tanque presurizado y tanque no presurizado. La figura muestra los componentes del depósito hidráulico.

Depósito Hidráulico no presurizado

Tapa de llenado: Mantiene los contaminantes fuera de la abertura usada para llenar y añadir aceite al tanque. En los tanques presurizados la tapa de llenado mantiene hermético el sistema.

Mirilla: Permite revisar el nivel de aceite del tanque hidráulico. El nivel de aceite debe revisarse cuando el aceite está frío. Si el aceite está en un nivel a mitad de la mirilla, indica que el nivel de aceite es correcto.

Tuberías de suministro y retorno: La tubería de suministro permite que el aceite fluya del tanque al sistema. La tubería de retorno permite que el aceite fluya del sistema al tanque.

Drenaje: Ubicado en el punto más bajo del tanque, el drenaje permite sacar el aceite en la operación de cambio de aceite. El drenaje también permite retirar del aceite contaminantes como el agua y sedimentos.

Rejilla de llenado: Evita que entren contaminantes grandes al tanque cuando se quita la tapa de llenado.

Tubo de llenado: Permite llenar el tanque al nivel correcto y evita el llenado en exceso.

Deflectores: Evitan que el aceite de retorno fluya directamente a la salida del tanque y dan tiempo para que las burbujas en el aceite de retorno lleguen a la superficie. También evita que el aceite salpique, lo que reduce la formación de espuma en el aceite.

Rejilla de retorno: Evita que entren partículas grandes al tanque, aunque no realiza un filtrado fino.

Depósito Hidráulico presurizado

Los dos tipos principales de tanques hidráulicos son: tanque presurizado y tanque no presurizado.

Tanque presurizado

El tanque presurizado está completamente sellado. La presión atmosférica no afecta la presión del tanque. Sin embargo, a medida que el aceite fluye por el sistema, absorbe calor y se expande. La expansión del aceite comprime el aire del tanque. El aire comprimido obliga al aceite a fluir del tanque al sistema. La válvula de alivio de vacío tiene dos propósitos: evita el vacío y limita la presión máxima del tanque. La válvula de alivio de vacío evita que se forme vacío en el tanque al abrirse y permite que entre aire al tanque cuando la presión del tanque cae a valores próximos a 3,45 kPa. Cuando la presión del tanque alcanza el ajuste máximo de presión de la válvula de alivio de vacío, la válvula se abre y descarga el aire atrapado a la atmósfera.

Tanque no presurizado

El tanque no presurizado tiene un respiradero que lo diferencia del tanque presurizado. El respiradero permite que el aire entre y salga libremente. La presión atmosférica que actúa en la superficie del aceite obliga al aceite a fluir del tanque al sistema. El respiradero tiene una rejilla que impide que la suciedad entre al tanque.

Simbología

La figura indica la representación de los símbolos ISO del tanque hidráulico. El símbolo ISO del tanque hidráulico no presurizado es simplemente una caja o rectángulo abierto en la parte superior. El símbolo ISO del tanque presurizado se representa como una caja o rectángulo completamente cerrado. A los símbolos de los tanques hidráulicos se añaden los esquemas de la tubería hidráulica para una mejor representación de los símbolos.

Simbología. Click para agrandar

Elementos de un circuito hidráulico

En todo circuito hidráulico hay tres partes bien diferenciadas: El grupo generador de presión, el sistema de mando y el actuador. El grupo generador de presión es el órgano motor que transfiere la potencia al actuador para generar trabajo. La regulación de esta transmisión de potencia se realiza en el sistema de mando que está formado por una serie de válvulas limitadoras de caudal y de presión, distribuidoras, de bloqueo, etc.

Circuito Hidráulico Básico

Cada elemento de una instalación hidráulica tiene unas determinadas características que es preciso conocer para deducir el funcionamiento de la instalación. Los elementos constitutivos del circuito hidráulico son:

• Tanque o depósito de aceite.
• Filtro
• Bomba
• Elementos de regulación y control
• Actuadores
• Redes de distribución

Tanque hidráulico

La principal función del tanque hidráulico es almacenar aceite, aunque no es la única. El tanque también debe eliminar el calor y separar el aire del aceite. Los tanques deben tener resistencia y capacidad adecuadas, y no deben dejar entrar la suciedad externa. Los tanques hidráulicos generalmente son herméticos.

Filtro

Un filtro hidráulico es el componente principal del sistema de filtración de una máquina hidráulica, de lubricación o de engrase. Estos sistemas 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.

Bomba hidráulica

Nos proporcionan una presión y caudal adecuado de líquido a la instalación. La bomba hidráulica convierte la energía mecánica en energía hidráulica. Es un dispositivo que toma energía de una fuente (un motor, un motor eléctrico, etc.) y la convierte a una forma de energía hidráulica. La bomba toma aceite o fluido hidráulico de un depósito de almacenamiento (un tanque) y lo envía como un flujo al sistema hidráulico.

Todas las bombas producen flujo de aceite de igual forma. Se crea un vacío a la entrada de la bomba. La presión atmosférica, más alta, empuja el aceite a través del conducto de entrada a las cámaras de entrada de la bomba. Los engranajes de la bomba llevan el aceite a la cámara de salida de la bomba. El volumen de la cámara disminuye a medida que se acerca a la salida. Esta reducción del tamaño de la cámara empuja el aceite a la salida.

Elementos de regulación y control

Son los encargados de regular el paso del aceite desde las bombas a los elementos actuadores. Estos elementos, que se denominan válvulas, pueden ser activados de diversas formas: manualmente, por circuitos eléctricos, neumáticos, hidráulicos o mecánicos. La clasificación de estas válvulas se puede hacer en tres grandes grupos: de dirección, antirretorno y de presión y caudal.

Actuadores

Los actuadores transforman la energía de presión del aire comprimido o del aceite en energía
mecánica, que será aplicada posteriormente para conseguir el efecto deseado. Según el tipo de movimiento, hay dos tipos de actuadores:

• Los cilindros: capaces de producir un movimiento rectilíneo
• Los motores: con los que se consigue un movimiento rotativo

Red de distribución

Debe garantizar la presión y velocidad del aceite en todos los puntos de uso. En las instalaciones oleohidráulicas, al contrario de las neumáticas, es necesario un circuito de retomo de fluido, ya que este se vuelve a utilizar una y otra vez. El material utilizado suele ser acero o plástico reforzado y depende de su uso.

Fluidos Hidráulicos (2)

A continuación se van a exponer las propiedades de los fluidos hidráulicos que les permiten realizar las funciones fundamentales y cumplir con algunos o todos sus requerimientos de calidad.

Viscosidad

La viscosidad es la medida de la resistencia del fluido a la circulación del mismo. Si un fluido circula con facilidad su viscosidad es baja, también se dice que dicho fluido e fino o tiene poca consistencia o cuerpo. Un fluido que circula con dificultad es que tiene una viscosidad alta, también se dice que es grueso o tiene mucha consistencia.

Punto de Fluidez

El punto de fluidez es la temperatura más baja a la que puede fluir un líquido. Esta temperatura es una especificación muy valiosa en los casos en que el sistema hidráulico vaya a sufrir el riesgo de temperaturas sumamente bajas.

Compresibilidad

Sabemos por física que los gases se comprimen de un modo notable y que los líquidos son poco compresibles, y que un líquido es tanto más compresible cuanto mayor es su viscosidad. Como dato orientativo se puede decir que en los aceites minerales, un volumen de 100 litros de fluido a la temperatura de 20ºC y sometido a una presión de 100 bar experimenta una disminución de volumen de 0,7 litros, es decir, tendrá un volumen de 99,3 litros.

Este fenómeno puede despreciarse en instalaciones de poco volumen y que funcionen a baja presión, pero habrá que tenerlos en cuenta cuando existan cilindros de gran capacidad, tuberías de cierta longitud y de gran diámetro, porque pueden dar lugar, por ejemplo, a un retraso para alcanzar la presión de trabajo, que repercute sobre la duración total del ciclo.

Poder Antiespumante

Si por cualquier causa o motivo, el aire u otro gas se mezclan con el fluido hidráulico y se produce espuma durante el funcionamiento de la instalación, las acciones de trabajo se vuelven deficientes y con aparición de mucho ruido. La formación de espuma depende de la dispersión del aire en el fluido o aceite. Un buen fluido para instalaciones oleohidráulicas contiene siempre aditivos que dificultan la absorción de aire o gases y facilitan la separación de los mismos que hayan penetrado circustancialemente en el fluido. También un buen purgado reduce la espuma.

Poder Antiemulsivo

Es la capacidad que posee el fluido para mantener el agua separado del mismo. En la mayoría de los sistemas se pueden tolerar pequeñas cantidades de agua. De hecho, ciertos componentes antioxidantes favorecen cierto grado de emulsificación. Si existe mucha agua en el fluido, se fomentará la acumulación de contaminantes que pueden originar una aceleración en los desgastes.

Resistencia al envejecimiento

La acción del oxígeno del aire, oxidación o unión química con el oxígeno, reduce gravemente la duración en servicio de un fluido.Los aceites derivados del petróleo son particularmente susceptibles a la oxidación, ya que el oxígeno se combina fácilmente tanto con el carbono como con el hidrógeno, que son los elementos de que está constituido el aceite.

El envejecimiento queda además favorecido por la presencia en la instalación de ciertos metales como el plomo, el latón o el cobre, en partículas de metalque se disuelven y son arrastradas. Tanto la oxidación como la corrosión contaminan el sistema y favorecen el desgaste.

El envejecimeinto que llega mediante la oxidación y la corrosión, pueden combatirse incorporando aditivos que se depositen en forma de película sobre las superficies metálicas, para evitar que sean atacadas químicamente.

Punto de Congelación

El punto de congelación debe asociarse a la viscosidad en frío y corresponde a aquella temperatura a la cual un líquido deja de fluir libremente.

Punto de Anilina

Es un dato muy importante cuando se utilizan juntas de perburán o neopreno, ya que la anilina tiene un poder disolvente que hincha o endurece las juntas y las guarniciones interiores de las tuberías flexibles. El punto de anilina señala la temperatura más baja a la que puede mezclarse el fluido y la anilina a partes iguales, de una forma homogénea.

Punto de Inflamación / Combustión

Temperatura a la cual surge una llamarada repentina sobre la superficie del aceite cuando se aproxima allí una llama o se hace saltar una chispa. No importa que la llama se apague inmediatamente después. Si se mantuviera ya no estaríamos ante el punto de inflamación, sino ante el punto de combustión.

Untuosidad

Es la propiedad de los fluidos hidráulicos o aceites que caracteriza el poder de cada uno de ellos de adherirse a las superficies metálicas necesitadas de lubricación.

Índice de Viscosidad

Es un número arbitrario que indica el cambio de viscosidad del fluido al variar la temperatura. Cuanto mayor sea el índice de viscosidad, menor será la variación de la viscosiad con la temperatura.

Fluidos Hidráulicos (1)

El término fluido se ha generalizado en hidráulica para referirse al líquido que se utiliza como medio de transmisión de energía. En esta entrada, fluido significará fluido hidráulico, bien sea un aceite mineral adecuado o alguno de los fluidos inflamables, que pueden ser compuestos sintéticos.

Se puede definir fluido hidráulico como "Todo líquido que se utiliza como medio de transmisión de energía". En las líneas posteriores se encontrarán los factores que intervienen en la selección de un fluido y su adecuada utilización.

Objetivos del fluido

El fluido hidráulico tiene 4 objetivos principales:

• Transmitir potencia
• Lubricar las piezas móviles
• Minimizar las fugas
• Enfriar o disipar calor

Transmisión de la Potencia

Como medio transmisor de potencia, el fluido debe circular fácilmente por las líneas y orificios de los elementos. Demasiada resistencia al flujo origina pérdidas de potencia considerables. El fluido debe ser también lo más incompresible posible, de forma que cuando se ponga en marcha una bomba o cuando actúe una válvula, la acción sea instantánea.

Lubricación

En la mayoría de los elementos hidráulicos la lubricación interna la proporciona el fluido. Los elementos de las bombas y otras piezas desgastables se deslizan unos contra otros sobre una película de fluido. Para que la duración de los componentes sea larga, el fluido debe contener los aditivos necesarios para asegurar unas buenas condiciones antidesgaste. No todo los fluidos hidráulicos contienen esos aditivos.

Estanqueidad

En muchos casos, el fluido es le único cierre contra la presión, dentro de un componente hidráulico. El ajuste mecánico y la viscosidad del fluido determinan en gran manera el porcentaje de fugas.

Enfriamiento

La circulación de los fluido hidráulicos a través de las líneas y alrededor de las paredes del depósito disipa parte del calor generado en el sistema. Un buen fluido hidráulico debe tener las propiedades adecuadas para favorecer la disipación de calor.


Requerimientos de Calidad

Además de estas funciones fundamentales, el fluido hidráulico puede tener otros requerimientos de calidad tales como:

• Impedir la oxidación
• Impedir la formación de lodos
• Reducir la formación de espumas
• Mantener su propia estabilidad y por consiguiente reducir el costo del cambio de fluido
• Mantener el índice de viscosidad relativamente estable en amplios rangos de temperatura
• Impedir la corrosión y formación de picaduras
• Separar el agua
• Compatibilidad con otros materiales de cierre y juntas