3.5 Bombas de Motores Hidráulicos

3.5 Bombas y Motores Hidráulicos

3.5.1 Introducción

Las bombas y los motores hidráulicos son similares en su diseño pero difieren en sus características de operación. La mayor parte de esta lección se centra en la nomenclatura y operación de las bombas hidráulicas.

Objetivos

Al terminar esta lección, el estudiante podrá:

1. Describir las diferencias entre bombas regulables y no regulables.
2. Describir las diferencias entre bombas de caudal fijo y de caudal variable.
3. Describir la operación de los diferentes tipos de bombas.
4. Describir las semejanzas y las diferencias entre los motores y las bombas hidráulicas.
5. Determinar la clasificación de las bombas hidráulicas.

3.5.2 Bomba hidráulica

Fig. 3.3.1 Bomba de Engranajes

La bomba hidráulica convierte la energía mecánica en energía hidráulica. Es un dispositivo que toma energía de una fuente (por ejemplo, un motor, un motor eléctrico, etc.) y la convierte a una forma de energía hidráulica. La bomba toma aceite de un depósito de almacenamiento (por ejemplo, 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.

La bomba sólo produce flujo (por ejemplo, galones por minuto, litros por minuto, centímetros cúbicos por revolución, etc.), que luego es usado por el sistema hidráulico. La bomba NO produce «presión». La presión se produce por acción de la resistencia al flujo. La resistencia puede producirse a medida que el flujo pasa por las mangueras, orificios, conexiones, cilindros, motores o cualquier elemento del sistema que impida el paso libre del flujo al tanque.

Hay dos tipos de bombas: regulables y no regulables.

3.5.2.1 Motor hidráulico

Fig. 3.3.2 Motor de Engranajes

El motor hidráulico convierte la energía hidráulica en energía mecánica. El motor hidráulico usa el flujo de aceite enviado por la bomba y lo convierte en un movimiento rotatorio para impulsar otro dispositivo (por ejemplo, mandos finales, diferencial, transmisión, rueda, ventilador, otra bomba, etc.).

3.5.2.2 Bombas no regulables

Las bombas no regulables tienen mayor espacio libre entre las piezas fijas y en movimiento que el espacio libre existente en las bombas regulables. El mayor espacio libre permite el empuje de más aceite entre las piezas a medida que la presión de salida (resistencia al flujo) aumenta. Las bombas no regulables son menos eficientes que las regulables, porque el flujo de salida de la bomba disminuye considerablemente a medida que aumenta la presión de salida. Las bombas no regulables generalmente son del tipo de rodete centrífugo o de hélice axial. Las bombas no regulables se usan en aplicaciones de presión baja, como bombas de agua para automóviles o de carga para bombas de pistones de sistemas hidráulicos de presión alta.

3.5.2.2.1 Bomba de rodete centrífuga

Fig. 3.3.3 Bomba Centrífuga

La bomba de rodete centrífuga consta de dos piezas básicas: el rodete (2), montado en un eje de salida (4) y la caja (3). El rodete tiene en la parte posterior un disco sólido con hojas curvadas (1) , moldeadas en el lado de la entrada.

El aceite entra por el centro de la caja (5), cerca del eje de entrada, y fluye al rodete. Las hojas curvadas del rodete impulsan el aceite hacia afuera contra la caja. La caja está diseñada de tal modo que dirige el aceite al orificio de salida.

3.5.2.2.2 Bomba de hélice axial

Fig. 3.3.4 Bomba de Hélice Axial

La bomba tipo hélice axial tiene un diseño como el de un ventilador eléctrico, montada en un tubo recto, y tiene una hélice de hojas abiertas. El aceite es impulsado hacia el tubo por la rotación de las hojas en ángulo.

3.5.2.3 Bombas regulables

Hay tres tipos básicos de bombas regulables: de engranajes, de paletas y de pistones. Las bombas regulables tienen un espacio libre mucho más pequeño entre los componentes que las bombas no regulables. Esto reduce las fugas y produce una mayor eficiencia cuando se usan en sistemas hidráulicos de presión alta. En una bomba regulable el flujo de salida prácticamente es el mismo por cada revolución de la bomba. Las bombas regulables se clasifican de acuerdo con el control del flujo de salida y el diseño.

La capacidad nominal de las bombas regulables se expresa de dos formas.

Una forma es la presión de operación máxima del sistema con la cual la bomba se diseña (por ejemplo, 21.000 kPa o 3.000 lb/pulg2). La otra forma es la salida específica suministrada, expresada bien sea en revoluciones o en la relación entre la velocidad y la presión específica. La capacidad nominal de las bombas se expresa sea en l/min-rpm-kPa o gal EE.UU./min-rpmlb/ pulg2 (por ejemplo, 380 l/min-2.000 rpm-690 kPa o 100 gal EE.UU./min-2.000 rpm-100 lb/pulg2).

Cuando la salida de la bomba se da en revoluciones, el flujo nominal puede calcularse fácilmente multiplicando el flujo por la velocidad en rpm (por ejemplo, 2.000 rpm) y dividiendo por una constante. Por ejemplo, calculemos el flujo de una bomba que gira a 2.000 rpm y tiene un flujo de 11,55 pulg3/rev o 190 cc/rev.

3.5.2.3.1 Eficiencia volumétrica

A medida que la presión aumenta, los espacios libres muy estrechos entre las piezas de la bomba regulable hacen que el flujo de salida no sea igual al de entrada. Parte del aceite se ve obligado a devolverse a través de los espacios libres entre la cámara de presión alta y la cámara de presión baja. El flujo de salida resultante, comparado con el flujo de entrada, se llama «eficiencia volumétrica» (el flujo de entrada se define generalmente como «flujo de salida a 100 lb/pulg2»).

La «eficiencia volumétrica» cambia con las variaciones de presión y siempre se debe especificar la presión dada. Cuando una bomba se clasifica como de 100 gal EE.UU./min-2.000 rpm-100 lb/pulg2, que opera contra 1.000 lb/pulg2, el flujo de salida puede caer a 97 gal EE.UU./min. Esta bomba tendría una «eficiencia volumétrica» de 97% (97/100) a 1.000 lb/pulg2.

Eficiencia volumétrica a 1.000 lb/pulg2 = 0,97 ó 97% de eficiencia volumétrica a 1.000 lb/pulg2.

Cuando la presión aumenta a 2.000 lb/pulg2, el flujo de salida puede caer a 95 gal EE.UU./min.

Entonces, la «eficiencia volumétrica» sería de 0,95 ó 95% a 2.000 lb/pulg2. Cuando se calcula la «eficiencia volumétrica», las rpm deben permanecer constantes.

3.5.2.3.2 Caudal fijo frente a caudal variable

Fig. 3.3.5 Bomba de Pistones

El flujo de salida de una bomba de caudal fijo cambia sólo si se varía la velocidad de la rotación de la bomba. Si la bomba gira más rápidamente, aumenta el flujo; si gira más lentamente, disminuye el flujo. La bomba de engranajes es ejemplo de una bomba de caudal fijo.

Las bombas de paletas y de pistones pueden ser de caudal fijo o variable. El flujo de salida de una bomba de caudal variable puede aumentar o disminuir independientemente de la velocidad de rotación. El flujo de salida de una bomba de caudal variable puede controlarse manual o automáticamente, o por combinación de ambas.

3.5.2.3.3 Bomba de engranajes

Fig. 3.3.6 Bomba de Engranajes

La bomba de engranajes consta de un retenedor de sellos (1), sellos (2), protector de sellos (3), planchas de separación (4), espaciadores (5), engranaje de mando (6), engranaje loco (7), caja (8), brida de montaje (9), sello de la brida (10) y planchas de compensación de presión (11) de ambos lados de los engranajes. Los engranajes están montados en la caja y en las bridas de montaje a los lados de los engranajes para sostener el eje de engranajes durante la rotación.

Las bombas de engranajes son bombas regulables. Suministran la misma cantidad de aceite por cada revolución del eje de entrada. La salida de la bomba se controla cambiando la velocidad de rotación.

La máxima presión de operación en las bombas de engranajes se limita a 4.000 lb/pulg2. Este límite de presión se debe al desequilibrio hidráulico propio del diseño de la bomba de engranajes.

El desequilibrio hidráulico produce una carga lateral en los ejes, que es compensada por los cojinetes y por los dientes de engranaje en contacto con la caja. La bomba de engranajes mantiene una «eficiencia volumétrica» mayor de 90% cuando se conserva la presión dentro de las gamas de presión de operación especificadas.

3.5.2.3.3.1 Flujo de la bomba de engranajes

Fig. 3.3.7 Flujo de la bomba de engranajes

El flujo de salida de la bomba de engranajes lo determinan la profundidad de los dientes y el ancho del engranaje. La mayoría de los fabricantes de bombas de engranajes estandarizan una profundidad de diente y un perfil que depende de la distancia a la línea central (1,6″, 2,0″, 2,5″, 3,0″, etc.) entre los ejes de engranajes.

Con perfiles y profundidades de dientes estándar, las diferencias de flujo entre cada clasificación de línea central de la bomba las determina totalmente el ancho del diente.

A medida que la bomba gira, el aceite es llevado entre los dientes de los engranajes y la caja del lado de entrada al lado de salida de la bomba. La dirección del giro del eje del engranaje de mando la determina la ubicación de los orificios de entrada y de salida. La dirección del giro del engranaje de mando siempre será la que lleve el aceite alrededor de la parte externa de los engranajes del orificio de entrada al de salida. Esto sucede tanto en los motores de engranajes como en las bombas de este tipo. En la mayoría de las bombas de engranajes el diámetro del orificio de entrada es mayor que el de salida. En las bombas y en los motores bidireccionales el orificio de entrada y el de salida tienen el mismo diámetro.

3.5.2.3.3.2 Fuerzas en la bomba de engranajes

Fig. 3.3.8 Fuerzas en la bomba de engranajes

En una bomba de engranajes el flujo de salida se produce al empujar el aceite fuera de los dientes de engranajes a medida que se engranan en el lado de salida. La resistencia al flujo de aceite crea una presión de salida. El desequilibrio de la bomba de engranajes se debe a que la presión en el orificio de salida es mayor que la presión en el orificio de entrada. El aceite de presión más alta empuja los engranajes hacia el orificio de salida de la caja.

Los engranajes del eje sostienen casi toda la carga de presión lateral para evitar un desgaste excesivo entre las puntas de los dientes y la caja. En las bombas de presión más alta, los ejes de engranaje están ligeramente biselados en el lado del extremo externo de los cojinetes del engranaje. Esto permite un contacto pleno entre el eje y los cojinetes cuando el eje se dobla levemente por la presión de desequilibrio.

El aceite presurizado también es enviado entre el área sellada de las planchas de compensación de presión, la caja y la brida de montaje al sello del extremo del diente del engranaje. El tamaño del área sellada entre las planchas de compensación de presión y la caja limita la cantidad de fuerza que empuja las planchas contra los extremos de los engranajes.

3.5.2.3.3.3 Planchas de compensación de presión

Fig. 3.3.9 Planchas de compensación de presión

En las bombas de engranajes se usan dos diseños de planchas de compensación de presión. El diseño anterior (1) tiene un reverso plano.

En este diseño se usan una plancha de separación, una protección para el sello, un sello en forma de «tres» y un retenedor de sello. El diseño más reciente (2) tiene una ranura en forma de «tres», incrustada en el respaldo y de mayor grosor que el diseño anterior. En el diseño más reciente de planchas de compensación de presión se usan dos tipos de sellos.

3.5.2.3.3.4 Bombas de engranajes con cavidades

Fig. 3.3.10 Bombas de engranajes con cavidades

Las bombas de engranajes con la caja rectificada y cavidades para los engranajes tienen un radio de las paredes de la cavidad a la parte inferior de las cavidades. La plancha de separación o la de compensación de presión del diseño más reciente usada en la cavidad debe tener rebordes externos curvados o biselados para que ajusten completamente contra la parte inferior de la cavidad. Si se usa una plancha de separación de bordes afilados, un retenedor de sellos de borde afilado o una plancha de compensación de presión de borde afilado en una cavidad de la caja, forzará las planchas de compensación de presión contra los extremos de los engranajes y se producirá una falla.

NOTA: En este punto realice la Práctica de Taller 3.3.1