Curso de Oleohidráulica

36 -DISEÑO DE UN CIRCUITO CON MOTORES

En los dos ejemplos anteriores se han diseñado dos circuitos con accionadores lineales (cilindros), que normalmente son los que presentan menos problemas de cálculo y diseño. En este capítulo se diseñará un sistema para el accionamiento de un motor hidráulico.

Como en los ejemplos anteriores debemos partir de un supuesto que, en este ejemplo, podría ser la necesidad de accionar una maquinilla de pesca, básicamente un tambor sobre el que se va enrollando el cable que sujeta la red.

36.01 Datos iniciales

36.02 Cálculos mecánicos

A diferencia de los dos ejemplos anteriores, en este caso no se realizan los cálculos hidráulicos ya que nuestro interés se centra en el diseño del circuito óptimo para esta aplicación.

36.02.01 Diámetro medio

fmedio = fnúcleo + ((fmáximo - fnúcleo) / 2) = 200 + ((800 - 200) / 2) = 200 + 300 = 500 mm.

36.02.02Velocidad de avance del cable

V = 20 (m/min) = 20.000 mm/min = p ·fmedio · n = 3,14 · 500 · n de donde ntambor = 20.000 / (3,14 · 500) = 12,75 rpm.

36.02.03 Velocidad del motor

En este caso vamos a utilizar un motor de pistones radiales (marcha lenta) y una reducción intermedia 1:10 por lo que el motor deberá girar a:

nmotor = ntambor · R = 12,75 · 10 = 127,5 rpm.

36.02.04 Par en el tambor

Corresponde al par desarrollado por el tambor para tirar de los 10.000 Kg. en su diámetro medio.

Mtambor = (T · fmedio) / 2 M = (10.000 · 0,5) / 2 = 2.500 mkg

36.02.05 Par en el motor hidráulico

Entre el tambor y el motor que lo acciona hay una reducción 1:10 por lo que el par del motor será:

Mmotor = Mtambor / R = 2.500 / 10 = 250 mkg

36.02.06 Potencia del motor hidráulico

A partir de este punto deberíamos calcular la presión de trabajo, que en este caso la establecemos aproximadamente del 80% de la máxima de trabajo para el tipo de motor seleccionado. Por ejemplo si hemos seleccionado un motor de pistones axiales que el fabricante recomienda para una presión de trabajo de 360 Kg/cm2, haremos los cálculos para trabajar al 80% de esta presión (entre 275 y 285 Kg/cm2), de esta forma disponemos de un margen de seguridad para poder incrementar la presión si fuese necesario (exceso de tiro, oleaje, etc.).

Una vez establecida la presión de trabajo podremos calcular el resto de los parámetros: partiendo de la velocidad de giro calcularemos la cilindrada del motor hidráulico, el caudal absorbido por el motor y la cilindrada de la bomba; con el caudal de la bomba y la presión de trabajo obtendremos la potencia absorbida por la bomba.

36.03 Ciclo de trabajo

36.04 Diagrama del sistema

En primer lugar se dibujan el elemento impulsor (una bomba accionada por un motor diesel) y el que posteriormente transformará la energía hidráulica en mecánica, y que en este caso es un motor.

Inmediatamente después de la bomba instalaremos una válvula de seguridad para limitar la presión máxima y evitar posibles excesos.

A continuación de colocará una válvula direccional de 4 vías y de accionamiento manual. En este caso se usará una válvula de tres posiciones (avance, reposo y retroceso) con todas las líneas conectadas al tanque en la posición de reposo para que en los reposos no se produzca laminación del fluido y consiguiente consumo innecesario de potencia; este centro, sin embargo, permitiría el movimiento de la maquinilla, que, en este caso, se mantiene frenada por medio de su freno mecánico.

Así mismo, y debido a la larga duración de la fase de recogida del cable, el distribuidor manual dispondrá de detenes que permitan dejarlo en cualquiera de las posiciones sin necesidad de accionar continuamente la palanca. Al incorporar detenes en el distribuidor no es necesario que éste disponga de muelles para hacerlo volver a su posición central.

Se tendrá especial atención en la selección de la corredera (posiciones intermedias) ya que , cuando se está terminando la operación de recogida, se usa el propio distribuidor como regulador de caudal para reducir la velocidad de giro del motor , por ello conviene seleccionar una corredera que en las posiciones intermedias estrangule el paso del fluido.

Se completará el croquis con los restantes elementos necesarios para el funcionamiento y mantenimiento del sistema: depósito de aceite con sus accesorios, llaves de paso para aislar la bomba, manómetro de presión, filtros, etc.

Al tratarse de una aplicación móvil y accionada por un motor de explosión se recomienda el uso de mangueras flexibles en las entradas y salidas de la bomba y el motor, con ello se minimizaran las vibraciones.

Según el tamaño de la embarcación puede haber una distancia considerable entre la bomba y el motor, por ello es importante instalar una válvula de purga de aire en el punto más elevado del circuito.

Otros elementos que podrían incluirse serian:

- interruptores eléctricos en las llaves de paso para evitar que se ponga en funcionamiento el sistema con alguna llave cerrada.

- aislador de manómetro.

- filtro de coalescencia para reducir el contenido de agua del depósito

- para sistemas de grandes tiros convendría instalar válvulas de frenado y distribuidores proporcionales.

36.05 Dimensionado y selección de los componentes

Una vez dibujados los componentes se tienen que dimensionar en función de las presiones y caudales calculados anteriormente (capacidad del depósito, diámetro de tuberías, grado de filtración, tipo de fluido, intercambiador de calor, etc.).

En el dimensionado de las tuberías de aspiración, presión y retorno, se tendrá en cuenta la distancia entre los componentes, principalmente entre el depósito-bomba y el motor, y las pérdidas de carga a través del circuito.

Para este caso concreto se tendrá que considerar si se precisa un fluido hidráulico normal, resistente al fuego, biodegradable, con elevado índice de viscosidad (según el ambiente de trabajo y/o la precisión del mismo). La selección de la viscosidad del fluido se hará en función de las temperaturas ambientales y de trabajo.

Con el croquis anterior y el dimensionado de los componentes ya se podría completar la relación de componentes necesarios para la construcción de este sistema:

la selección de cada componente se hará en función de factores como la economía, la fiabilidad, la disponibilidad, etc.

Nota: Cuando el motor que acciona la bomba es el mismo que realiza el movimiento de la embarcación, es recomendable intercalar un sistema para desconectar (embrague) la toma de fuerza de la bomba y evitar que esté constantemente girando, ya que el motor principal trabaja durante muchas horas pero el sistema hidráulico sólo lo hace durante unos minutos. De no intercalar este sistema de desconexión mecánica de la bomba, deberá introducirse un sistema de descarga de la bomba que produzca las mínimas pérdidas de carga posibles.

36.06 Otras opciones

El sistema y los componentes definidos son los más simples para la realización del trabajo requerido, pero existen otras posibilidades, que podrían ser de índole mecánica, como por ejemplo el uso de un motor de marcha rápida (pistones axiales, paletas o engranajes) y sustituir la reducción actual por otra mayor.

Hidráulicamente podría estudiarse la posibilidad de sustituir la bomba de cilindrada fija por otra de caudal variable.

El sistema sólo requiere una regulación de la velocidad cuando se termina de recoger el cable y aparecen las puertas y la red. Esta regulación se puede realizar a través del distribuidor manual en equipos pequeños pero precisan sistemas más precisos para equipos de gran tamaño.

Últimamente se está reduciendo la diferencia de precio entre los dos tipos de bombas, pero las de pistones axiales de caudal variable son más sensibles a la contaminación que las de engranajes de caudal fijo, y además la bomba de caudal variable requiere la instalación de un sistema de control del mecanismo de variación de caudal.

Si se opta por la bomba de caudal variable sería aconsejable la sustitución del sistema de circuito abierto por una transmisión hidrostática de circuito cerrado.

Nota: este ejemplo sólo tiene valor a efectos de diseño ya que en realidad tanto la operación de subida como de bajada se realizan hidráulicamente y a distintas velocidades. Además, en muchas ocasiones, el grupo hidráulico es utilizado para otras aplicaciones como el accionamiento del timón hidráulico, haladores, grúas, etc.