Tipos de bombas hidráulicas.

Esta bomba de manufactura americana es posiblemente, en la actualidad, la bomba de pistones radiales de caudal variable más completa y también la más costosa. Si bien su principio fundamental de funcionamiento es idéntico al de las anteriores, difiere considerablemente en sus características constructivas.

En este caso, los pistones radiales de la bomba, en lugar de tener muñequillas, patines o rulemanes en sus cabezas para asegurar el contacto con la pista interior del aro de registro, terminan en superficies esféricas que, como se ve en la figura 2.21, se apoyan en una pista de acero templado (T), diseñada de tal forma que el punto de contacto queda descentrado del eje del cilindro. El movimiento circunferencial relativo se obtiene mediante la rotación parcial de los pistones, que giran dentro de su alojamiento cilíndrico, mientras todo el conjunto gira alrededor del eje de rotación de la bomba. Utilizando dos grupos de pistones en dos planos separados, normales al eje de la bomba, los empujes laterales paralelos al eje del árbol se equilibran entre sí.

Esta bomba viene provista de diversos accesorios de fábrica que permiten, según el pedido del cliente, operar con dos etapas de presión y disponer de comando del registro de caudal por sistema manual, eléctrico, automático o por piloto hidráulico.

Los fabricantes producen esta unidad para un rango de presiones de 60, 120 y 175 atu, con capacidades de hasta 150 HP.

Para igualdad de caudales, esta bomba es de tamaño más reducido que la Hele-Shaw.

Bombas de pistones esféricos

La bomba de pistones en forma de bolas ha resultado interesante para los proyectistas de bombas hidráulicas, debido al bajísimo desgaste de las partes en rozamiento. No es lo mismo el rozamiento contra una pista interior circular de patines o cilindros de rodadura, que el de bolas perfectamente esféricas y pulidas, de acero extra duro tratado.

El principio de funcionamiento hidráulico es enteramente similar al de las anteriores.

Referencias existentes indican que este tipo de bombas ya había sido ensayado en Inglaterra alrededor de 1916, pero el estado de la tecnología —en lo que hace a calidades de acero extraduros antifricción tratados térmicamente— no permitió evitar los excesivos desgastes. En consecuencia, se veían limitadas en su aplicación por el aumento de fugas ocasionadas por esos desgastes prematuros.

Con los materiales y acabados extraduros antifricción y antiescorificables que hoy ofrece la tecnología, es posible fabricar bombas de pistones esféricos con una duración razonablemente mayor. Estas bombas se utilizan actualmente en algunos equipos auxiliares de aviación.

Experimentos realizados recientemente en Inglaterra con bombas de pistones esféricos recubiertos con capas metalizadas de carburos de tungsteno permitieron funcionamientos continuos de 500 horas sin desgastes apreciables ni pérdidas internas ponderables.

Por razones de diseño y geometría, la carrera de las bolas (que actúan como pistones) está limitada a la tercera parte de su diámetro. Por tal motivo, y para aumentar los caudales sin incrementar el tamaño físico, se han construido bombas con pistas ovaladas, lo cual permite obtener dos carreras por revolución, duplicando el caudal con el mismo tamaño de bomba.

En la figura 2.23 se muestra un esquema de este tipo de bomba, que encuentra buena aceptación para presiones no mayores de 30 atu. Esta bomba es de caudal fijo, pero se ha logrado fabricar versiones de caudal variable (para pequeños valores) mediante un desfasaje adecuado: se emplean dos grupos de pistones y pistas para bolas, y un mecanismo de regulación capaz de girar las pistas en sentidos opuestos, produciendo una variación de fase entre ambos grupos.

Bombas rotativas de pistones axiales

El mecanismo básico de estos dispositivos es una placa matriz circular que rota oblicuamente sobre un eje. Al girar el eje, comunica un movimiento circular al bloque de cilindros. Este movimiento, en conjunto con la inclinación de la placa, determina que el pistón desarrolle en el cilindro un movimiento alternativo que permite los procesos de aspiración y descarga.

Este grupo de pistones giratorio se instala en el eje de entrada y es impulsado por el motor. Consta de un bloque con numerosos orificios mecanizados con precisión que alojan los pistones. Los pistones están formados por el pistón y la corredera; la corredera (en bronce o aluminio) se conecta al pistón y lo mueve durante el funcionamiento.

En la primera parte del proceso, los pistones se retraen, aumentando el volumen y disminuyendo la presión, con lo que se genera la aspiración. En la segunda etapa, los pistones ingresan, disminuye el volumen y se produce la descarga.

Si se puede variar la inclinación de la placa, la bomba será de caudal variable.

Las correderas del pistón pivotean y se deslizan sobre una arandela endurecida llamada arandela de empuje.

La arandela de empuje se sitúa en el plato distribuidor. Este pivotea sobre dos pasadores de soporte y controla la salida de la bomba. Cuando el operador mueve el pedal de control de tracción para aumentar la velocidad, el ángulo del plato distribuidor se acentúa.

A medida que gira el grupo de pistones, los pistones se mueven hacia adentro y hacia fuera de sus orificios y bombean el aceite. La cantidad de aceite bombeada es controlada por el ángulo del plato distribuidor.

Mientras el plato distribuidor se mantenga en posición neutral, no se bombeará aceite. Cuando el operador mueve el pedal de control de tracción, aumenta el ángulo del plato distribuidor, lo que a su vez incrementa la carrera del pistón. Cuando la carrera del pistón aumenta, la cantidad de aceite bombeado aumenta y la velocidad de desplazamiento cambia.

Si bien esta placa oscilante es, en parte, un sustituto de la manivela y se conoce desde hace mucho tiempo en ingeniería mecánica, no ha tenido mayores aplicaciones en diversos tipos de maquinarias debido a la complejidad de los mecanismos que implica. La bomba hidráulica de alta presión es posiblemente la única aplicación donde el dispositivo se ha empleado con éxito, y actualmente existe una tendencia definida a utilizar cada vez más este tipo de bombas en usos industriales, desplazando a las bombas de pistones radiales o “en estrella”, a pesar de que estas últimas son más robustas, simples y durables. Esto se debe, muy posiblemente, a la influencia de la técnica hidráulica aeronáutica: en aviación, el peso es crítico y este tipo de bomba asegura mayor potencia por kilogramo. Además, la bomba con placa motriz circular oscilante y cilindros axiales (paralelos al eje de la bomba) tiene tres ventajas fundamentales respecto de las bombas de pistones radiales.

1. Los cilindros se hallan muy cerca del eje central de giro; por ello, la fuerza centrífuga sobre los pistones es considerablemente menor.
2. El mecanismo que produce el movimiento alternativo de los pistones es más rígido. Por esta razón, los golpes de ariete son menores, ya que el pasaje del tiempo de aspiración al de presión (y viceversa) ocurre de manera más suave, reduciendo el nivel de ruido.
3. Las bombas de cilindros axiales permiten emplear válvulas deslizantes rotativas planas, mientras que en las bombas de pistones radiales suelen ser cilíndricas. Las válvulas planas permiten presiones más altas; con las cilíndricas, para mantener buen rendimiento hidráulico, no es posible superar ciertos valores de presión.

Motor hidrostático

Veamos una aplicación de ejemplo de motor hidrostático. En un sistema de motor hidrostático remoto, los motores hidrostáticos pueden ser motores simples de engranajes o motores de pistones.

Cuando el motor se fabrica como parte del conjunto completo (como ocurre en los sistemas en U o en línea), el motor es del tipo de pistones, muy similar a la bomba de pistones, excepto que el plato distribuidor es fijo. Al ser fijo, la carrera de los pistones permanece constante. La velocidad de rotación del motor no se puede cambiar salvo que se cambie el volumen de aceite que recibe de la bomba: más aceite aumenta la velocidad del motor; menos aceite la disminuye.

Motor hidrostático: funcionamiento general

Mientras el motor hace girar el grupo giratorio, los pistones pasan por el plato distribuidor que se encuentra en posición neutra (ver figura). Con el plato distribuidor en posición neutra, no hay movimiento de los pistones y no se bombea aceite.

Cuando el operador mueve el pedal de control de tracción, aumenta el ángulo del plato distribuidor y la bomba de pistones comienza a desplazar aceite. Este aceite se dirige a la sección de la bomba y hace moverse a la unidad (ver figura).

Cuando el operador necesita cambiar de dirección, el pedal de tracción se mueve hacia atrás a la posición neutra y luego a la posición de retroceso. En retroceso, el plato distribuidor se mueve en sentido opuesto al avance; el aceite se bombea al lado opuesto del motor y la unidad se mueve en reversa (ver figura).

Bomba de Williams-Janney

Esta bomba, diseñada y construida por primera vez entre 1901 y 1906 en Estados Unidos para Waterbury Tools Mfg., por Harvey Williams y Reynolds Janney, fue el origen a partir del cual se llegó a los modernos tipos de bombas de esta clase. Fabricadas por empresas diversas en Estados Unidos, Inglaterra, Europa continental y Japón, han permitido a la hidráulica del aceite un desarrollo notable.

En la figura 2.24 se presenta una ilustración de esta bomba en su versión original.

En el grabado se aprecia la bomba original en corte longitudinal. El árbol (D), accionado por un motor eléctrico (no mostrado), va guiado en dos cojinetes a bujes. Sobre este árbol se monta un manguito estriado, y sobre el manguito se monta el bloque de cilindros (C), que recibe el movimiento de rotación.

Dentro del bloque de cilindros se desplaza, en cada cilindro, su correspondiente pistón, vinculado mediante una biela (E). En sus extremidades, la biela posee cabezas esféricas para lograr una articulación universal: una une la biela con el pistón y la otra con un anillo portamuñones montado dentro de un receptáculo anular (J). Este receptáculo se encaja en un cojinete liso (K), que a su vez se monta en una muñonera (G). El conjunto se fija a una junta universal doble (M), situada entre el mecanismo descrito y el árbol (D).

La muñonera (G) puede girar parcialmente alrededor de soportes (no mostrados). Si la bomba comienza a funcionar conservando la alineación mostrada —de modo que el eje del receptáculo anular coincida con el del árbol— los pistones no se desplazan y la bomba no suministra caudal al circuito hidráulico.

Inclinando la muñonera hacia un lado (en la versión original, mediante una palanca de accionamiento manual exterior), los pistones se desplazan alternativamente, bombeando aceite: de A hacia B. Invirtiendo el desplazamiento de la muñonera, se invierte el sentido del flujo: de B hacia A. Es decir, la bomba es de caudal variable y de flujo reversible.

La estanqueidad de las válvulas deslizantes planas (V) se obtiene inicialmente por acción del resorte (X) montado sobre el árbol (D). Las lumbreras tienen dimensiones que permiten que una parte del empuje total del pistón quede desequilibrada, generando una fuerza resultante que mantiene las válvulas en contacto.

La acción valvular se logra mediante lumbreras en el bloque de cilindros, que comunican alternativamente con dos lumbreras de forma reniforme (admisión y escape) en la válvula superficial estacionaria (un disco plano no mostrado).

Aunque el bloque (C) está montado sobre el manguito del árbol (D), no queda rígido: entre ambos existe una pequeña junta universal (H) que permite autoalineación sobre la válvula superficial, evitando separaciones por tensiones o deformaciones.

Con los años, los fabricantes modificaron el diseño original respetando el principio de funcionamiento: montaje del árbol sobre cojinetes a bolas, encamisado de cilindros en el bloque giratorio, eliminación de resortes, uso de crapodinas de empuje robustas en la muñonera y mejora del sistema de mando para la inclinación de la muñonera oscilante. Una versión posterior se muestra en la figura 2.25.

En la figura 2.25 se observa que la periferia del disco oscilante tiene un dentado que engrana con los filetes de un tornillo. Al accionarse desde el exterior sobre una platina graduada, permite ajustar la inclinación del plato oscilante para lograr el caudal deseado.

En modelos actuales se trabaja con presiones de servicio del orden de 200 atu y velocidades normales de rotación de 1.500 r.p.m.

Bomba de émbolo buzo axial (“Electráulica”)

La firma inglesa Towler, que fabrica la bomba multicilíndrica de pistones en línea, también manufactura otro tipo de bomba de pistones axiales, de la cual se muestra en la figura 2.26 un corte longitudinal.

La bomba consta de dos grupos de tres pistones accionados por una placa motriz circular. En vez de utilizar patines o bielas, los extremos libres de los pistones poseen una cabeza semiesférica. Los pistones son empujados por contacto directo con la superficie dura de la placa motriz, sobre la cual se deslizan con un contacto de rodadura muy uniforme.

En el ejemplo mostrado, el empuje axial del plato oscilante se soporta mediante una robusta crapodina de empuje, colocada contra la pared interior de la carcasa, y otra similar montada sobre la corona oscilante (identificadas con la letra F).

Los émbolos pueden rotar en sus cilindros. Para asegurar un contacto satisfactorio entre las cabezas de los émbolos y la superficie de rozamiento, el plato oscilante se hace girar lentamente mediante engranajes cónicos (fig. 2.26): uno unido al cuerpo de la bomba y otro al plato oscilante.

La relación de transmisión de los engranajes cónicos corresponde a la secante del ángulo de inclinación de la cara de empuje del plato oscilante. Los fabricantes afirman que el plato con corona dentada, combinado con anillos de empuje con película lubricante, permite operación continua a presiones muy altas. Por ejemplo, un prototipo habría funcionado más de 2.000 horas a 7.000 psi sin desgastes apreciables.

Una bomba auxiliar (P), del tipo de engranajes y accionada por una prolongación del árbol de transmisión, precarga el sistema: extrae aceite del tanque y lo envía al colector de admisión de la bomba de alta presión por un pasaje interno (no mostrado). Su capacidad excede la de la bomba principal; el excedente retorna por otro conducto al cárter donde se aloja el plato basculante.

El pasaje estrecho entre el colector de admisión y la caja del plato basculante asegura presión suficiente para levantar las válvulas de admisión y, además, los émbolos reciben empuje hacia afuera durante la aspiración mediante presión suministrada por la bomba auxiliar (P).

Consideraciones de inspección y puesta en marcha de las bombas a pistones

Imperan para este caso las condiciones generales expuestas para las bombas de paletas; sin embargo, debido a las estrictas tolerancias constructivas y a la complejidad de algunos modelos, son limitadas las reparaciones que pueden intentarse dentro de plantas industriales, debiéndose recurrir en la mayoría de los casos al reemplazo de los conjuntos rotor (o barrilete) y pistones.

Inversión del sentido de giro

El sentido de giro de las bombas de pistones axiales y radiales puede invertirse solo en los modelos de plato matriz y/o de distribución por vástago central, siempre ateniéndose a las instrucciones del fabricante.

Las bombas con distribuidor por placa rozante y/o las de tambor a barrilete giratorio no pueden invertir su sentido de giro; en ese caso deben solicitarse al fabricante para un sentido determinado.

Banco de pruebas y recepción

Cualquier tipo de bomba de desplazamiento positivo puede controlarse en un banco de construcción sencilla que permita verificar si se ajusta a las condiciones de funcionamiento especificadas.

El banco permite, fundamentalmente, comprobar el caudal que entrega una bomba a diferentes valores de presión (ver Fig. 2.27) y constatar, mediante un amperímetro, la potencia que desarrolla el motor.

Condiciones de prueba:

1. Mantener las condiciones de temperatura del aceite y su viscosidad de acuerdo con lo indicado por el fabricante.
2. Dado que los fabricantes señalan caudales y potencias absorbidas para un tipo determinado de bomba a diferentes valores de presión, se tomarán esas presiones para las pruebas, a fin de constatar los caudales.
3. La velocidad de giro de la bomba durante la prueba deberá coincidir con la establecida por el catálogo; en caso contrario, efectuar la conversión de caudal al nuevo número de vueltas utilizando el valor de desplazamiento cúbico por vuelta indicado en el catálogo.

Bomba de engranajes rectos (spur gear pump)

Las bombas de engranajes se clasifican como externas o internas. En las bombas externas, los dientes de ambos engranajes se proyectan hacia fuera de sus centros. Pueden utilizar engranajes cilíndricos, de dientes angulares o helicoidales para mover el líquido. En las bombas internas, los dientes de un engranaje se proyectan hacia afuera y los del otro se proyectan hacia adentro hacia el centro de la bomba. Las bombas internas pueden ser centradas o excéntricas.

Este es uno de los tipos más populares de bombas de caudal constante, sobre todo en su versión de engranajes exteriores. En su forma más común se compone de dos piñones dentados acoplados que giran, con un cierto juego, dentro de un cuerpo estanco. El piñón motriz está enchavetado sobre el árbol de arrastre, accionado generalmente por un motor eléctrico. Las tuberías de aspiración y de salida se conectan, cada una por un lado, al cuerpo de la bomba.

Como consecuencia de la rotación provocada por el motor, el eje motriz arrastra al engranaje respectivo, el cual a su vez impulsa el giro del engranaje conducido. Los engranajes son iguales en dimensiones y giran en sentidos opuestos.

Con el movimiento de los engranajes, en la entrada de la bomba se originan presiones negativas. Como el aceite del depósito se encuentra a presión atmosférica, se produce una diferencia de presión que traslada el fluido desde el depósito hacia la entrada. El aceite queda atrapado entre los dientes y es transportado hacia la salida o zona de descarga. El hermetismo de ciertas zonas impide el retroceso del fluido y lo obliga a circular en el sistema.

En la figura 2.28 se ve el corte de una bomba común de dos engranajes.

Los dientes de los piñones, al entrar en contacto por el lado de salida, expulsan el aceite contenido en los huecos; en tanto que el vacío que se genera a la salida de los dientes provoca la aspiración de aceite en esos mismos huecos.

Las bombas corrientes de engranajes son de construcción simple, pero presentan el defecto de entregar un caudal con pulsaciones.

Los piñones dentados se fabrican con acero Cr-Ni de cementación, cementados, templados y rectificados (profundidad de cementación: 1 mm).

Los ejes de ambos engranajes están soportados por cojinetes de rodillos ubicados en cada extremo. El engranaje propulsor se encuentra acuñado a su eje. El aceite es atrapado en los espacios entre los dientes y la carcasa y es transportado alrededor de ambos engranajes desde la lumbrera de aspiración hasta la descarga.

El aceite no puede retornar al lado de admisión a través del punto de engrane.

Los engranajes suelen ser rectos, pero también se emplean engranajes helicoidales (simples o dobles), cuya ventaja principal es el funcionamiento silencioso a altas velocidades. Deben tomarse precauciones contra presiones excesivas por aceite atrapado entre sucesivas líneas de contacto de los dientes. Para evitarlo, se ejecuta en las platinas laterales un pequeño fresado que permite el escape del aceite comprimido hacia la salida o hacia la aspiración.

Siendo M el módulo del diente:

En las bombas con dos sentidos de marcha, se efectúan dos fresados: uno a cada lado de la línea de centros.

En la Fig. 2.29 se muestra una bomba llamada “Barnes”, en la cual se ha solucionado el problema mencionado. En el piñón conducido y en el fondo de los huecos de los dientes se practica un pequeño agujero por donde descarga el aceite atrapado. Si se hace lo mismo en la cresta de los dientes, el problema se soluciona completamente. La compresión del aceite en la cámara “A” comienza cuando un diente entra en contacto simultáneo con los dos adyacentes al hueco en el que penetra. En ese instante, el aceite se evacua hacia la salida por canales internos.

Cuando los dientes atraviesan la línea de centros se inicia el desengranaje. Se crea un vacío en la cámara “B”, inmediatamente llenado por el aceite que llega desde la aspiración. Esta acción particular asegura a la bomba “Barnes” una gran suavidad de funcionamiento.

En bombas de engranajes de construcción corriente, el aceite ejerce presión radial considerable sobre los piñones, provocando deformación de los árboles, aumento disimétrico del juego y, por consiguiente, aumento de fugas. Además, los refuerzos radiales elevados requieren rodamientos grandes, aumentando el peso.

Para equilibrar hidráulicamente los piñones existen distintos métodos. Uno consiste en realizar pequeños agujeros diametrales en los piñones dentados (con número par de dientes) que comunican con los huecos entre dientes. Estos agujeros se cruzan, pero no se cortan.

La Fig. 2.30 muestra que, del lado de salida, la presión genera fuerzas resultantes (F1 y F2) sobre cada piñón.

Debido a los agujeros radiales, el aceite a presión penetra a través de cada piñón en el lado opuesto a la cámara de compresión, creando fuerzas resultantes que compensan parcialmente las fuerzas principales. Como la presión varía durante la rotación, el equilibrado no es perfecto, pero reduce las dimensiones necesarias de los cojinetes y permite aplicar bombas de engranajes a mayores presiones.

En la bomba esquematizada en la Fig. 2.30, cada hueco entre dientes posee un taladro para el equilibrio. Esta disposición perjudica la estanqueidad entre aspiración y compresión, porque los agujeros conectados a ambas zonas quedan separados solo por un diente. Para remediarlo, se separan más los agujeros, como se ilustra en la Fig. 2.31, y se procura reducir al mínimo las dimensiones de la cámara de compresión (R).

El número de vueltas para bombas de dientes rectos es, en general, de 900 a 1.500 r.p.m. En bombas de dentado helicoidal (simples o dobles), la velocidad puede llegar a 1.800 r.p.m. En modelos perfeccionados, con dientes corregidos y platinas de bronce rectificadas, y con eliminación de compresión de aceite entre dientes, puede alcanzarse hasta 2.500 r.p.m.

En modelos equilibrados, las presiones pueden llegar a 70 kg/cm² y aun valores superiores. Presiones mayores ocasionan ruidos molestos y trepidaciones perjudiciales. Es importante que los huecos entre dientes se llenen completamente durante la aspiración; de lo contrario, se forman vapores que, al comprimirse bruscamente, producen choques hidráulicos y ruido.

El ruido se amortigua con aceites más viscosos, pero aumenta con la velocidad y la presión. Un recurso eficaz es aumentar el volumen de la cámara de aspiración. Para lograr un llenado correcto, deben evitarse velocidades de aceite en la aspiración superiores a 2 m/s; las velocidades de salida no deben ser mayores que 5 m/s.

Fig. 2.34 Curva de pulsaciones del caudal de una bomba de engranajes en el caso de un dentado con coeficiente recubierto e=1 .

Bomba de engranajes de dientes internos

Esta bomba está constituida por engranajes de dientes externos (motriz), engranajes de dientes internos (conducido) y una placa en forma de media luna. Existe una zona donde los dientes engranan completamente, en la cual no es posible alojar aceite entre los dientes.

Al estar los engranajes ubicados excéntricamente, comienzan a separarse, generando un aumento del espacio, con lo cual se provoca una disminución de presión que asegura la aspiración de fluido. Luego, el aceite es trasladado hacia la salida; la acción de la placa con forma de media luna y el engrane total impiden el retroceso del aceite.

Conceptos destacados :