Tema 1. Componentes de los sistemas hidráulicos y neumáticos

SISTEMAS O CIRCUITOS HIDRÁULICOS.

ELEMENTOS GENERADORES DE ENERGÍA.

Tanto si se trabaja con aire como con un líquido, se ha de conseguir que el fluido transmita la energía necesaria para el sistema. En los sistemas neumáticos se utiliza un compresor, mientras en el caso de la hidráulica se recurre a una bomba. Tanto el compresor como la bomba han de ser accionados por medio de un motor eléctrico o de combustión interna.

2. PRODUCCIÓN DE ENERGÍA HIDRÁULICA.

BOMBAS HIDRAÚLICAS

El análisis de todos los tipos de bombas utilizará diversos términos para evaluarse los méritos de un tipo sobre otro. Estos términos son:

1. Amplitud de presión. Los límites máximos de presión con los cuales una bomba puede funcionar adecuadamente. Son dados como libras por pulgada cuadrada o lb/plg².

2. Volumen. La cantidad de fluido que una bomba es capaz de entregar y que generalmente se da en galones por minuto o gal/min a la presión de operación.

3. Amplitud de la velocidad. Los límites máximo y mínimo en los cuales las condiciones en la entrada y soporte de la carga permitirán a la bomba funcionar satisfactoriamente. Se dan como revoluciones por minuto o rpm.

4. Eficiencia mecánica. La relación entre el caballaje teórico a la entrada, necesario para un volumen específico en una presión específica y el caballaje real a la entrada necesario para el volumen específico a la presión específica.

5. Eficiencia volumétrica. La relación entra el volumen teórico de salida a 0 libras por pulgada cuadrada y el volumen real a cualquier presión asignada.

6. Eficiencia total. El producto de la eficiencia volumétrica.

BOMBAS DE VOLUMEN FIJO – Generalidades

Una bomba hidráulica es un medio para convertir energía mecánica en energía fluida o hidráulica. Una bomba proporciona un medio flexible de transmisión de fuerza y movimiento para alimentar un escurrimiento o flujo del fluido a presión. Una bomba puede entregar un producto fijo a velocidad constante, y ser señalada como una bomba de desplazamiento fijo. Una bomba también puede entregar un producto variable a velocidad constante y así ser referida como una bomba de desplazamiento variable.

Las bombas de desplazamiento fijo se usan más ordinariamente en los circuitos industriales básico de aplicación mecánica de la hidráulica y son utilizables en tres clasificaciones generales.

1. Bombas de engranes o piñones.2. Bombas de paletas.3. Bombas de pistón.

Bombas de desplazamiento positivo o volumétrico.

Son las que desplazan líquido, mediante la creación de un desequilibrio de presiones dentro de un entorno cerrado. Este desequilibrio hace que el líquido se mueva de un lugar a otro en un intento de equilibrar la presión. “El movimiento del desplazamiento positivo” consiste en el movimiento de un fluido causado por la disminución del volumen de una cámara.En las bombas volumétricas, el intercambio de energía del fluido se hace siempre en forma de presión, fundamentado en la hidrostática, de modo que el aumento de presión se realiza por el empuje de las paredes de las cámaras que varían su volumen. Las bombas de desplazamiento positivo se clasifican de acuerdo a su accionamiento en:        *Reciprocantes o alternativas.

       *Rotativas.

En las primeras un órgano impulsor (un pistón o un diafragma) tiene un movimientoalternativo provocado mecánicamente. En las segundas hay una o más piezas con movimiento rotatorio (“rotor”) que toma el líquido de un recipiente a baja presión y lo trasvasa a otro a mayor presión.Como criterio general, suelen ser usadas para aplicaciones que requieran bajos caudales y altas o muy altas presiones. A diferencia de las máquinas centrífugas, pueden trabajar satisfactoriamente con bajas velocidades y en la mayoría de los casos son relativamente insensibles al efecto de la viscosidad del fluido.Al ser el caudal independiente de la presión de descarga, en su instalación se deberá prever siempre la posibilidad de alivio de presiones excesivas.

BOMBAS DE ENGRANES- Generalidades

La bomba de engranes ha sido citada como el “caballo de carga” de la hidráulica y probablemente se ha utilizado en la práctica más que cualquier otro tipo. La capacidad de una bomba de engranes puede ser muy grande o muy pequeña y su costo variará con su capacidad de presión y volumen.

Normalmente la mayoría de las bombas de engranes exhibirán buenas capacidades de vacío a la entrada y para las situaciones normales también son autocebantes. Una característica complementaria conveniente que se encuentra en las bombas engranes es la cantidad relativamente pequeña de pulsación en el volumen producido. Con bombas de engranes, el engrane o engranado de cada combinación de engranes o dientes producirá una unidad o pulso de presión. Cada 14 o 17 dientes girando a 1000 rpm, un ritmo de pulsación de alta frecuencia de 14 000 a 17 000 pulsos por minuto, producirá un flujo de salida razonablemente suave y parejo.

Las bombas de engranaje se clasifican como bombas de engranaje externas o internas. En bombas de engranaje externas los dientes de ambos engranajes se proyectan hacia a fuera de sus centros, estas bombas pueden utilizar engranajes cilíndricos, engranajes de dientes angulares, o engranajes helicoidales para mover el líquido.

En una bomba de engranaje interna, los dientes de un engranaje se proyectan hacia afuera, pero los dientes del otro engranaje proyectan hacia adentro hacia el centro de la bomba. Las bombas de engranaje internas pueden ser centradas o excéntricas.

Producen caudal al transportar el fluido entre los dientes de dos engranajes acoplados. Uno de ellos es accionado por el eje de la bomba (motriz), y éste hace girar al otro (libre).

Descripción del funcionamiento.

Este tipo de bomba produce caudal al transportar el fluido entre los dientes de dos engranajes acoplados. Uno de ellos es accionado por el eje de la bomba (motriz), y este hace girar al otro (libre).

La bomba de engranajes funciona por el principio de desplazamiento; un piñón es impulsado y hace girar al otro en sentido contrario. En la bomba, la cámara de admisión, por la separación de los dientes, en la relación se liberan los huecos de dientes.

Esta depresión provoca la aspiración del líquido desde el depósito.Los dientes llenados transportan el líquido a lo largo de la pared de la carcasa hacia la cámara de impulsión. En la cámara los piñones que engranan transportan el líquido fuera de los dientes e impiden el retorno del líquido.Por lo tanto el líquido de la cámara tiene que salir hacia el receptor, el volumen del líquido suministrado por revolución se designa como volumen suministrado (cm³/Rev.).La bomba de engranajes tiene dos ruedas dentadas iguales, estas se ajustan al cuerpo de la bomba o estator. El rotor es la rueda conductora y el elemento desplazante es la rueda conducida.

Entre los puntos de funcionamiento se destacan los siguientes:

 La bomba nunca girará en seco. Se accionan por un motor eléctrico y giran a elevada velocidad.En la cavidad de aspiración, el líquido llena los espacios entre los dientes de ambas ruedas dentadas, después estos volúmenes se aíslan y desplazan por unos arcos de circunferencia a la parte de descarga de la bomba.El volumen útil de una cámara de trabajo debe considerarse es el correspondiente al del diente y no al del hueco.

Características técnicas.Las bombas de engranajes son bombas robustas de caudal fijo, con presiones de operación hasta 250 bares (3600 psi) y velocidades de hasta 6000 rpm. Con caudales de hasta  250 cm/Rev. Combinan una alta confiabilidad y tecnología de sellado especial con una alta eficacia. Son adecuadas para líquidos de alta viscosidad, y permiten lograr muy altas presiones. Su ventaja radica en su simplicidad de montaje y mantenimiento, además de su reducido costo.

BOMBAS DE PALETAS DESEQUILIBRADAS O DE EJE EXCÉTRICO

Las bombas hidráulicas tipo paleta tienen generalmente placas interiores forma circular o elíptica (La figura ilustra una bomba de paleta con un interior circular). Un rotor ranurado se fija a un eje que entra en la cavidad de la cubierta a través de una de las placas extremas. Un número de pequeñas placas o paletas rectangulares se fijan dentro de las ranuras del rotor.

Al girar el rotor dentro del anillo volumétrico y ubicado en forma excéntrica a éste, se genera por lo tanto una cierta diferencia que permite en algunos casos controlar la cilindrada.

Esta bomba mostrará desgaste en el interior de la caja y en las aristas de las paletas, causado por el deslizamiento de un contacto entre las dos superficies. El deslizamiento constante de las paletas en el rotor ranurado causará desgaste en dichas ranuras. Este tipo de bomba tendrá la misma situación en lo que se refiere a la carga sobre los cojinetes que el caso de las bombas de engranes. La carga será dirigida desde la salida hacia el lado de entrada de la bomba, debido a la diferencia de presiones. Esta situación nos permite hacer referencia a estas bombas como encargadas en forma desequilibrada.

Al tener la bomba una sola zona de alta presión se originan fuerzas que no son compensadas, lo que indica que la bomba se trata de una bomba desequilibrada.

A medida que el rotor da vuelta, la fuerza centrífuga hace que el borde externo de cada paleta se deslice a lo largo de la superficie de la cavidad de la cubierta, mientras que las paletas resbalan dentro y fuera de las ranuras del rotor. Las numerosas cavidades, formadas por las paletas, las placas extremas, la cubierta, y el rotor, se expanden y se comprime a medida que el montaje del rotor y de la paleta gira. Un puerto de entrada está instalado en la cubierta así que el líquido puede fluir en las cavidades mientras que éstas se agrandan. Un puerto de salida está provisto para permitir que el líquido fluya fuera de las cavidades a medida que llegan éstas se vuelven pequeñas.

Bomba de paletas equilibradas.

Se distingue en este tipo de bomba las siguientes situaciones:

Anillo volumétrico El rotor y el anillo están ubicados concéntricamente Posee dos zonas de aspiración y dos de descarga, por lo tanto la aspiración y

descarga se realiza dos veces en cada revolución Su caudal es fijo Las fuerzas resultantes se anulan, por lo tanto la bomba es equilibrada

Bombas de paletas equilibradas de 2 000 lb/plg² de presión. (Bombas de paletas Denison)

Bombas de paletas deslizantes

La mayoría de las bombas de paletas deslizantes son de una cámara. Estas máquinas son de gran velocidad, de capacidades pequeñas o moderadas y sirven para fluidos poco viscosos.Según la forma de la caja hay también bombas de paletas deslizantes de doble o triple cámara.

Bombas pesadas de paleta deslizante

Se trata de una bomba esencialmente lenta, para líquidos muy viscosos. Tiene una sola paleta que abarca todo el diámetro.

Bombas de paletas oscilantes

Las paletas se articulan en el rotor. Es otro de los tipos pesados de bomba de paleta.Bombas de paletas rodantesTienen ranuras en el rotor de poca profundidad, para alojar rodillos de elastómero en lugar de paletas.

Bombas de leva y paleta

Tienen una sola paleta deslizante en una ranura mecanizada en la caja cilíndrica y que, al mismo tiempo, encaja en otra ranura de un anillo que desliza sobre un rotor accionado y montado excéntrica mente. El rotor y los anillos ejercen el efecto de una leva que genera el movimiento de la paleta deslizante. Se emplea principalmente como bomba de vacío.

Bombas de paletas equilibradas de 1000 lb/plg² de presión (Vickers)

Son bombas de paletas equilibradas y la carga hidráulica queda completamente dentro de la unidad de carcasa de la bomba. Están compuestas por dos bujes, un rotor, varias paletas, un anillo de leva y una espiga de localización. Estas bombas pueden girar en ambos sentidos según su necesidad. Al sustituir el anillo de levas con uno más grande o uno más pequeño, se pueden tener diversos volúmenes de rendimiento o salida de la bomba, pero en ciertas conversiones, el rotor, las paletas y el cabezal también deben cambiarse para acomodar el nuevo anillo. Estas bombas tienen una gran aceptación en las industrias.

BOMBAS DE PISTÓN- Generalidades

Las bombas de pistón generalmente son consideradas como las bombas que verdaderamente tienen un alto rendimiento en las aplicaciones mecánicas de la hidráulica. Algunas bombas de engranes y de paletas funcionarán con valores de presión cercanos a los 2 000 lb/plg², pero sin embargo, se les considerará que trabajan con mucho esfuerzo. En cambio las bombas de pistón, en general, descansan a las 2000 lb/plg² y en muchos casos tienen capacidades de 3 000 lb/plg² y con frecuencia funcionan bien con valores hasta de 5 000 lb/plg².

Las bombas de pistón entran en dos grandes clasificaciones generales: bombas de pistón radial y bombas de pistón axial.

Bomba de pistones radiales

El mecanismo de bombeo de la bomba de pistones radiales consiste en un barril de cilindros, pistones, un anillo y una válvula de bloqueo.

Este mecanismo es muy similar al de una bomba de paletas, sólo que en vez de usar paletas deslizantes se usan pistones.

El barril de cilindros que aloja los pistones está excéntrico al anillo. Conforme al barril de cilindros gira, se forma un volumen creciente dentro del barril durante la mitad de la revolución, en la otra mitad se forma un volumen decreciente. El fluido entra y sale de la bomba a través de la válvula de bloqueo que está en el centro de la bomba.

Con las bombas de alta velocidad, de pistones radiales con válvulas de asiento, se obtienen eficiencias volumétricas sumamente altas, a valores de un 98%. Por lo general cada cilindro o cualquier otra cámara en la bomba es pequeño en relación bloque de acero que lo rodea, y los pistones están tan pulidos que se adaptan: a los cilindros sin necesidad de empaquetadura alguna.

Naturalmente en esta juega un rol fundamental la viscosidad del aceite por lo que en los sistemas hidráulicos que emplean este tipo de bombas la temperatura del sistema debe

estar lo más baja y constante posible.

Bombas de pistón axial

Las bombas de pistón axial son las bombas de pistón más comunes que se encuentran, derivan su nombre del hecho que los pistones se mueven dentro y fuera sobre un plano paralelo al eje de la flecha impulsora. Se emplean dos métodos diferentes para proporcionar la acción de bombeo a los pistones.

Bombas de pistón de barril angular

Las bombas de tambor o cilindro angular son utilizables y tienen capacidad para operarse a presiones hasta de 3 000 lb/plg² y hay aprovechable también un cierto número de volúmenes y velocidades de impulsión. Estas bombas se surten para direcciones simples o duales de rotación, y por esta razón las flechas que marcan el sentido, los límites de presión y los valores de las revoluciones por minuto, deben anotarse cuidadosamente antes que estas unidades se pongan en operación.

Bombas de pistón de placa de empuje angular

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.

2. PROUCCIÓN DE ENERGÍA NEUMÁTICA.

ELEMENTOS GENERADORES DE ENERGÍA. En los sistemas neumáticos se utiliza un compresor, el cual es accionado por medio de un motor eléctrico o de combustión interna.

Compresores.

La presión atmosférica es una presión muy pequeña como para poder ser utilizada en los circuitos neumáticos. Por ello es necesario disponer de aire a presiones superiores, obteniendo de esta forma lo que se conoce como aire comprimido. El elemento cuya función es la de elevar la presión del aire se denomina compresor. De esta forma podemos definir como compresor a una máquina que toma el aire en unas determinadas condiciones y lo impulsa a una presión mayor a la de entrada. El compresor para poder realizar este trabajo de compresión debe tomar la energía de un motor eléctrico.

En los elementos neumáticos cada una de los elementos que lo forman son representados por símbolos. En la figura se representa el símbolo correspondiente al compresor.

TIPOS Y CARACTERÍSTICAS DE COMPRESORES

Compresores Alternativos. La compresión se realiza al aspirar aire de un recinto hermético y reducir su volumen hasta alcanzar la presión deseada.

Compresores Rotativos. Basan su principio de funcionamiento en las leyes de la dinámica de fluidos. Transforman la energía cinética de un fluido en energía de presión.

Con los diferentes modelos que existen en el mercado para cada uno de los dos tipos de compresores, se puede establecer un esquema de visión general como el siguiente:

Tipos de compresores:

Compresor de émbolo.

Este compresor aspira el aire a la presión atmosférica y luego lo comprime. Se compone de las válvulas de admisión y escape, émbolo y biela-manivela. Admisión: El árbol gira en el sentido del reloj. La biela desciende el émbolo hacia abajo y la válvula de admisión deja entrar aire 10º después del punto muerto superior, hasta el punto muerto inferior. Escape: En el punto muerto inferior le válvula se cierra, y al ascender el émbolo se comprime el aire. Bajo el efecto de la presión, se abre y circula el aire comprimido hacia el consumidor.

El compresor más habitual en las industrias ya que es barato y robusto. Por otro lado, necesita lubricación para su funcionamiento y produce elevado calentamiento del aire.

Se puede utilizar tanto para equipos estacionarios como móviles, en una gran variedad de tamaños. Los más grandes pueden llegar a entregar caudales superiores a los 500 m3/min. Las presiones suelen alcanzar los 6-7 bares.

Compresor de émbolo de dos etapas.

El movimiento molecular, provoca una elevación de la temperatura: Ley de transformación de la energía. Si se desean obtener presiones mayores es necesario disminuir la temperatura. En este tipo de compresores existe una cámara de enfriamiento del aire antes de pasar a la segunda compresión.

Compresor de émbolo, de dos etapas, doble acción.

La compresión se efectúa por movimiento alternativo del émbolo. El aire es Aspirado, comprimido, enfriado y pasa a una nueva compresión para obtener una presión y rendimiento superior.

Compresor de émbolo con membrana.

El funcionamiento es similar al del compresor de émbolo. La aspiración y comprensión la realiza la membrana, animada por un movimiento alternativo. El interés de este compresor radica en la ausencia de aceite en el aire impulsado por este tipo.

Normalmente no superan los 30m3/h de caudal. Se utilizan para presiones inferiores a los 7 bares.

Compresor radial de paletas.

Un rotor excéntrico, dotado de paletas gira en un alojamiento cilíndrico. La estanqueidad en rotación se asegura por la fuerza centrífuga que comprime las paletas sobre la pared. La aspiración se realiza cuando el volumen de la cámara es grande y resulta la compresión al disminuir el volumen progresivamente hacia la salida. Pueden obtenerse presiones desde 200 a 1000 kPa (2 a 10 bares), con caudales entre 4 y 15 m³/min.

Necesitan lubricación para las piezas móviles, reducir el rozamiento de las paletas y mejorar la estanqueidad.Suelen utilizarse en campos o instalaciones que exijan caudales inferiores a 150m3/h y presiones máximas de 7 bares.

Compresor de tornillo.

La aspiración y la compresión se efectúan por dos tornillos, uno engrana en el otro. La compresión se realiza axialmente. Pueden obtenerse a presiones de 1000kPa (10 bares) caudales entre 30 a 170 m³/min.

Es necesario lubricar las piezas móviles con aceite, para evitar severos desgastes y refrigerar los elementos. Este aceite se deberá separar del aire comprimido mediante un separador aire-aceite.

Pueden dar caudales elevados, 24.000m3/h y presiones cercanas a los 10 bares. También se pueden colocar en serie varias etapas, llegando a presiones de 30 bares.

Compresor Rooths (Lóbulos).

Dos llaves que giran en sentido inverso encierran cada vuelta un volumen de aire entre la pared y su perfil respectivo. Este volumen de aire es llevado al fin del giro a la presión deseada.

Estos compresores no modifican el volumen de aire aspirado. Lo impulsan. La compresión se efectúa gracias a la introducción de más volumen de aire del que puede salir. Los caudales máximos está entorno a los 1500m3/h. Las presiones no suelen superar los 1-2 bares.

Su principio de funcionamiento se basa en aspirar aire e introducirlo en una cámara que disminuye su volumen. Está compuesto por dos rotores, cada uno de los álabes, con una forma de sección parecida a la de un ocho. Los rotores están conectados por dos ruedas

dentadas y giran a la misma velocidad en sentido contrario, produciendo un efecto de bombeo y compresión del aire de forma conjunta.

Turbo compresor.

Este tipo de compresor es una turbina de tres etapas. El aire es aspirado, y su presión se eleva en cada etapa 1.3 veces aproximadamente.

Turbocompresor radial.

El aire aspirado axialmente es introducido a una velocidad muy alta. La compresión tiene lugar radialmente. Este tipo de compresor es recomendable cuando se desean grandes caudales. Entre las diferentes etapas hay que tener previsto las cámaras de enfriamiento.

Se basan en el principio de la compresión de aire por fuerza centrifuga y constan de un rotor centrifugo que gira dentro de una cámara espiral, tomando aire en sentido axial y arrojándolo a gran velocidad en sentido radial. La fuerza centrifuga que actúa sobre el aire lo comprime contra la cámara de compresión.

Pueden ser de una o varias etapas de compresión consecutivas, alcanzándose presiones de 8-12 bares y caudales entre 10.000 y 20.000m3/h. Son maquinas de alta velocidad, siendo esta un factor fundamental en el funcionamiento ya que esta basado en principios dinámicos, siendo la velocidad de rotación del orden de las 15.000 a 20.000 r.p.m.

Compresor Radial

Turbocompresor axial.

Este tipo de compresor funciona con el principio del ventilador. El aire es aspirado e impulsado simultáneamente. Las presiones son muy bajas, pero los caudales pueden ser muy elevados.

http://www.sapiensman.com/neumatica/neumatica_hidraulica9-A.htm

http://infmk2013amarcosjuarezcontreras133.blogspot.mx/2014_10_01_archive.html

http://industrial-automatica.blogspot.com/2010/08/compresores-neumaticos.html