Bombas hidráulicas.

Tolerancias en bombas de pistones y paletas

Si bien es muy poco probable que, en razón del mantenimiento, se intente la fabricación de una bomba, considero importante señalar sus principales características constructivas y tolerancias dimensionales.

Para ello comenzaremos por la que puede ser considerada la más difundida de las bombas en el sector industrial argentino, es decir, la bomba de paletas con aro ovoide.

En la Fig. 2.9 observamos un corte de este tipo de bomba fabricada por la firma Vickers. Con sus partes identificadas, consideremos ahora aquellas que tienen un movimiento relativo entre sí (Fig. 2.10). Este conjunto, denominado cartucho de recambio, puede ser adquirido para cada modelo de bomba y permite su reacondicionamiento total.

Las platinas laterales, realizadas en bronce fosforoso, y la holgura que presentan con respecto al rotor y paletas es de 0,015 a 0,020 mm, una de cada lado.

La pista, realizada en acero al Cr o WGKL, SAE 52100, es cementada y templada, y se encuentra rectificada interiormente con una rugosidad no mayor a 5 micro pulgadas.

El rotor, de acero al Cr o Mo o SAE 3312, tiene las superficies de las ranuras cementadas, templadas y rectificadas.

Las paletas a plaquitas están realizadas en acero rápido y sus caras y flancos están rectificados, existiendo una holgura entre ellas y su ranura de alojamiento no mayor de 0,010 mm.

El eje de mando es de acero SAE 3135. El conjunto mencionado es fijado al cuerpo de la bomba mediante una espina de acero plata que atraviesa la pista y ambas platinas, posicionando estos elementos con respecto a los radios del cuerpo.

Durante la rotación del rotor, las paletas se aplican al perfil interior de la pista esencialmente por la acción de la fuerza centrífuga y luego por la acción conjunta de ésta y la presión del aceite que llega por las derivaciones de las ventanas 5 y 7 (Fig. 2.11).

El perfil interior de la pista está formado, entre las ventanas 5, 6, 7 y 8 de las platinas, por arcos de círculo cuyos centros coinciden con el del rotor, conformando sectores de 24° cada uno.

Las zonas de perfil correspondientes a las ventanas 5, 6, 7 y 8 (sobre las cuales se producen la aspiración y la salida) están trazadas con centros desplazados con relación al centro del rotor; gracias a ello se obtiene una curva que permite un caudal proporcional al ángulo de rotación del rotor.

Debido a la conformación del perfil de la pista, las paletas entran y salen del rotor dos veces por vuelta, aspirando por 6 y 8 y enviando aceite por 5 y 7. Puesto que estas últimas son diametralmente opuestas, las presiones hidráulicas sobre el rotor se equilibran mutuamente.

Conviene señalar que las ranuras del rotor no son radiales, sino que tienen una leve inclinación alfa de 3° a 14°, para aumentar su longitud y, consecuentemente, el guiado de la paleta sin debilitar excesivamente el rotor.

El caudal teórico de este tipo de bombas puede calcularse mediante la siguiente fórmula:

La diferencia R − r determina la altura h de la paleta, que en la práctica es igual al 40% de su altura total.

El número de rpm máxima, así como la anchura máxima B del rotor, están limitados por la cantidad de aceite que puede ser aspirado por las ventanas 6 y 8. De donde surge que el caudal de la bomba no puede aumentarse, salvo aumentando la sección de las ventanas de aspiración, lo que lleva aparejado un nuevo trazado del rotor y la pista.

Inspección, reparación y rearme de las bombas a paletas desplazables

1. Lavar todas las partes excepto arosellos, juntas y empaquetaduras, en un líquido limpio y compatible. Depositar las piezas en una superficie limpia y libre de impurezas para su inspección. Se recomienda el reemplazo de arosellos, juntas y empaquetaduras en cada revisión.
2. Las paletas gastadas en el borde que está en contacto con la pista pueden revestirse, permitiendo su nueva utilización.
3. Si la superficie interna de la pista presenta severas ralladuras, estriados transversales o escalones, debe ser reemplazada. En el caso de ralladuras no transversales y de escasa profundidad (superficiales), la pista puede reutilizarse mediante un lapidado interior que no altera sustancialmente su trazado original.
4. Un excesivo juego entre el estriado del eje y el rotor, como así también entre las ranuras del rotor y las paletas, demanda el reemplazo del rotor.
5. Si las caras internas de las platinas están ligeramente ralladas, pueden remaquinarse prolongando su empleo. Si las ralladuras son profundas o si el orificio central está muy rayado o desgastado, debe reemplazarse la platina.
6. Rodamientos, tornillos, tapones, espinas y separadores que indiquen daño o excesivo desgaste deben ser reemplazados.
7. Después de la inspección y antes del rearmado, cada parte debe ser sumergida en aceite hidráulico limpio de la misma calidad y marca del empleado en el equipo.

Instrucciones de operación

Antes de poner en marcha la bomba

1. Controlar la libertad de movimiento de las partes internas haciendo girar el eje con la mano. No poner en marcha cuando hay evidencias de que existe algo que frene el libre giro.
2. Si la bomba es nueva o reconstruida, tener la certeza de que está armada correctamente. Controlar cuidadosamente el sentido de giro, el eje de alineamiento, el valor de la válvula de alivio y el nivel de aceite.

Puesta en marcha de la bomba

1. Poner en marcha la bomba mediante impulsos cortos de corriente al motor en rápida sucesión, de modo que la velocidad normal de giro sea alcanzada paulatinamente. Esto permite el cebado interno. La velocidad no debe ser mucho menor que la mínima recomendada, ya que es necesaria una fuerza centrífuga adecuada para hacer salir las paletas y ponerlas en contacto con la pista.
2. Si la bomba es nueva o reacondicionada, debe ponerse en marcha bajo condiciones que aseguren desde el primer momento una contrapresión que garantice la lubricación interna.

Inversión del sentido de giro

Las bombas de paletas desplazables en aros ovoides permiten la inversión del sentido de giro, pero ello implica el reordenamiento de sus partes internas a fin de conservar, a pesar de la inversión mencionada, su succión y salida invariables.

Los cambios a realizar consisten simplemente en girar 90° el conjunto platinas y pista con respecto al cuerpo de la bomba, tal como se observa en la Fig. 2.12.

Este cambio puede realizarse con la bomba montada, ya que para efectuarlo basta retirar la tapa posterior de la misma.

En la Fig. 2.13 observamos el desplazamiento de una bomba Vickers y en la Fig. 2.14 la disposición interna de los conjuntos platinas, rotor y pista en una bomba doble de la misma marca para distintos sentidos de giro.

Si bien la vida útil de las bombas de paletas es prolongada, cuando se las emplea dentro de los límites señalados por cada fabricante, una inspección cada 2.500 horas de servicio permitirá prevenir daños que demandan costos de reparación o reemplazo elevados.

Un problema frecuente cuando estas bombas permanecen detenidas por largos períodos es el pegado de las paletas dentro de sus ranuras. Esta adherencia se debe a lacas (productos de la oxidación del aceite). En tales condiciones, al ponerse en marcha, la bomba no entrega caudal.

Debe procederse a abrir y lavar con solventes limpios el conjunto pista, rotor y paletas, verificando que estas últimas se deslicen con libertad en sus alojamientos y procediendo luego al rearme en las condiciones ya especificadas.

Este procedimiento debe aplicarse a toda bomba instalada que haya permanecido un largo período inactiva.

Figura: Bombas hidráulicas Vickers

Bombas alternativas

La bomba alternativa es una bomba de pistón. También se la conoce como bomba de desplazamiento positivo. Se utiliza con frecuencia cuando se debe manejar una cantidad relativamente pequeña y la presión de entrega es bastante alta. La construcción de estas bombas es similar a la de un motor de cuatro tiempos, como se muestra en la figura siguiente.

El cigüeñal es accionado por un motor externo. El pistón de la bomba se mueve de manera alternativa por la rotación del cigüeñal. En la primera mitad de la rotación, el pistón desciende, se abre la válvula de entrada y el fluido ingresa al cilindro. En la segunda mitad, el pistón asciende, se abre la válvula de salida y el fluido sale por la descarga. En cada instante solo una válvula está abierta y la otra permanece cerrada, por lo que no hay pérdida de fluido. Dependiendo del área del cilindro, la bomba suministra un volumen prácticamente constante por ciclo, independientemente de la presión de salida.

El término alternativo se refiere a un movimiento de ida y vuelta. En la bomba alternativa, este movimiento de los pistones dentro de los cilindros proporciona el flujo de líquido. Como las bombas rotativas, trabajan sobre el principio positivo: en cada carrera entregan un volumen definido al sistema.

El cilindro maestro del sistema de frenos del automóvil es un ejemplo de bomba de simple efecto. Varias bombas hidráulicas eléctricas, tales como las de pistón radial y pistón axial, también pueden clasificarse como alternativas. A veces se las denomina “rotativas” porque reciben movimiento de rotación desde la fuente de energía, pero el bombeo real es realizado por pistones alternativos dentro de conjuntos de cilindros.

Bombas de pistones

Un sistema hidrostático consta de una bomba hidrostática que bombea aceite al motor de impulsión. El componente más importante del sistema es la bomba, que suele ser de desplazamiento variable: el caudal de salida puede modificarse y no depende solo de las rpm, como ocurre en bombas de desplazamiento fijo. Para ello se utilizan bombas de pistones.

Estas bombas, diseñadas para presiones de servicio más elevadas, presentan una gran variedad constructiva. Una clasificación genérica se resume en el siguiente esquema:

A pesar de la variedad, los altos niveles de presión operativa (hasta 700 kg/cm²) requieren materiales, aleaciones y tolerancias comunes, tales como:

• Rotor: bronces fosforosos y fundición con composición típica (según especificación del texto).
• Pistones: acero Cr-Ni de cementación, cementado y templado.
• Eje de distribución: acero Cr-Ni de cementación.
• Pistas: acero para rodamientos templado.

Tolerancias

• Holgura entre pistón y cilindro: no mayor de 0,005 a 0,008 mm.
• Ovalización máxima admitida en los pistones: 0,005 mm.
• Ovalización máxima del alojamiento: 0,01 mm.

Terminaciones superficiales

Los pistones y sus alojamientos son rodados: reciben un tratamiento de terminación superficial por arranque de material. Este proceso, denominado en francés “rodage à la pierre” y en inglés “nonius” (según el texto), no tiene denominación establecida en castellano y difiere del superacabado y del lapidado.

Bombas rotativas de pistones radiales (caudal fijo)

Este tipo de bombas presenta muchas variantes. En general, existen dos clases: de caudal fijo y de caudal variable (estas últimas se analizan más adelante).

Las bombas rotativas de pistones radiales pueden clasificarse según sus válvulas sean de asiento o rotativas. Las multicilíndricas de pistones en línea tienen típicamente válvulas de asiento. En bombas radiales, los asientos pueden ser de válvulas de bola, de platillo o de asiento cónico.

Si los cilindros giran, las válvulas son de tipo rotativo o “deslizante” y se hermetizan por una película de aceite entre superficies móviles y estacionarias.

Las bombas con válvulas rotativas se diferencian de las de válvulas de asiento: es inevitable cierto resbalamiento a altas presiones por fugas a través del juego de válvulas. Además, las presiones de trabajo quedan limitadas para mantener alta eficiencia volumétrica y reducir el riesgo de agarrotamiento bajo cargas excesivas. Por esta razón, las bombas de muy alta presión suelen emplear válvulas de asiento, donde los pistones no giran, siendo esta la disposición clásica de bombas de caudal fijo.

En este grupo se incluyen: bombas de pistones radiales con cilindros estacionarios, bombas de pistones axiales con cilindros estacionarios y bombas de pistones en línea (todas con válvulas de asiento).

El mecanismo de bombeo de la bomba de pistones radiales consiste en un barril de cilindros, pistones, un anillo y una válvula de bloqueo. Es similar al de una bomba de paletas, pero en lugar de paletas deslizantes utiliza pistones.

El barril de cilindros que aloja los pistones está excéntrico respecto del anillo. Al girar, durante media vuelta se forma un volumen creciente (aspiración) y en la otra media vuelta un volumen decreciente (impulsión). El fluido entra y sale a través de la válvula de bloqueo ubicada en el centro de la bomba.

En bombas de alta velocidad, de pistones radiales con válvulas de asiento, se obtienen eficiencias volumétricas muy altas (del orden del 98%). La viscosidad del aceite cumple un rol fundamental; por ello la temperatura del sistema debe mantenerse lo más baja y constante posible.

La descarga de cada cilindro adopta la forma de pequeñas pulsaciones de muy alta frecuencia.

Bomba “SECO”

Esta bomba se muestra en corte en la figura Nº 2.16.

Consta de un cuerpo de acero en el cual van alojadas las válvulas de asiento de bola. La de admisión, más grande que la de impulsión, va alojada radialmente dentro de un casquillo hueco con asiento plano que desliza sobre las caras hexagonales de un dado central. Este apoya sobre un cojinete robusto de rodillos montado sobre un eje con leva excéntrica central, mecanizada en el mismo eje de entrada (mando de la bomba), conectado mediante un manguito a un motor eléctrico.

El casquillo mencionado es un émbolo hueco que retorna por acción de un resorte contenido en la tapa del cilindro (atornillable). Axialmente se disponen las cámaras de impulsión con válvulas de asiento de bola, bloqueadas contra su asiento por un resorte: son válvulas de retención. La salida se recoge en una tapa colectora frontal.

Este tipo de bomba permite presiones muy altas, del orden de 5.000 psi.

Como la admisión se opera por la parte central de la bomba, donde se aloja el eje excéntrico con sus rodamientos, la lubricación de las partes móviles y deslizantes se realiza permanentemente con el mismo aceite hidráulico. Por razones de lubricación, estas bombas utilizan exclusivamente aceite hidráulico: con agua se destruirían en pocos minutos.

Bombas rotativas de pistones radiales (caudal variable)

El rotor giratorio aloja en su interior el distribuidor y colector de caudal (pintle), un eje estacionario con conductos internos que se conectan mediante toberas a las diferentes cámaras de aspiración e impulsión. Esto conforma un sistema de válvulas rotativas deslizantes, característico de bombas “en estrella” de caudal variable.

Gracias al número relativamente elevado de pistones y a su corta carrera, las pulsaciones de caudal son prácticamente despreciables. La presión máxima queda limitada principalmente por las reacciones sobre los cojinetes, que crecen con presiones elevadas.

Bomba Hele-Shaw

Las bombas de descarga variable están ampliamente difundidas y se basan en principios establecidos hacia 1908 por el Dr. Hele-Shaw. Utilizan válvulas rotativas o deslizantes, donde debe mantenerse estanqueidad a alta presión mediante una película de aceite entre superficies rozantes. Proporcionan caudal variable desde cero hasta un máximo y, además, son reversibles.

El resbalamiento (fugas) por válvulas rotativas o deslizantes aumenta considerablemente a altas presiones. Con cargas excesivas existe riesgo de agarrotamiento. Por ello, según el texto, estas bombas no trabajan por encima de ~140 atm. Se construyen en un amplio rango de capacidades, con potencias elevadas (por ejemplo 200 HP).

Las Hele-Shaw grandes trabajan ~500 rpm y las pequeñas ~1500 rpm.

En la figura 2.18 se ilustra una unidad de este tipo.

En el cuerpo del cilindro A se funden varios cilindros radiales en una sola pieza. El conjunto está soportado por cojinetes a bolas B y C, conectado al árbol de mando D. El cuerpo gira alrededor de la válvula central fija E, con lumbreras X e Y que conducen a admisión (F) y descarga (G).

El juego entre el cuerpo de cilindros (rotor) y la válvula central está ocupado por una película de aceite que actúa como sello. Cada pistón H se conecta a cojinetes J mediante un perno K sobre el cual puede oscilar.

Los cojinetes se alojan en ranuras del anillo flotante L, que gira sobre rodamientos a bolas M y N, montados sobre guías O que se deslizan entre caras paralelas mecanizadas en las tapas. Así, el eje de rotación depende de la posición de M y N, determinada por el recorrido de las guías O.

Cada diagrama corresponde a una sección a través de la válvula fija central por un plano que pasa por los ejes de los cilindros. El desplazamiento del elemento rotativo sobre la línea PQ modifica la excentricidad y, por lo tanto, el caudal y el sentido del flujo.

En estas bombas, el rozamiento aumenta con n (número de vueltas) y la potencia perdida por rozamientos crece aproximadamente con n^3/2.

Bomba Pittler-Thoma

Esta bomba, de manufactura alemana, tiene el mismo principio de funcionamiento que la Hele-Shaw, difiriendo en detalles constructivos.

Los pistones alojan en sus cabezas exteriores un perno sobre el que rota libremente un pequeño rulemán a bolillas, que rueda sobre la cara interior del aro de regulación de caudal. En algunos modelos, el registro es de comando manual (Fig. 2.20); en otros, se opera automáticamente por la presión del sistema hidráulico mediante servodispositivos.

Conceptos destacados :