Download - 12. Actuadores y Acumuladores Hidráulicos
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UNIDAD XII
ACTUADORES Y ACUMULADORES HIDRÁULICOS
1. DEFINICIÓN
Un actuador hidráulico transforma la energía hidráulica en energía mecánica.
2. TIPOS
Los actuadores hidráulicos son de dos tipos:
Pistones hidráulicos.
Motores hidráulicos.
2.1. CILINDROS HIDRÁULICOS
Transforman la energía hidráulica en energía mecánica en términos de
fuerza F y desplazamiento d.
dFEHIDRAULICA *
Figura 1. Cilindro hidráulico.
EHIDRAULICA
EMECANICA
dFE .CILINDROENTREGA
Q2
p2
p3
F
d
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2.2. MOTORES HIDRÁULICOS
Transforman la energía hidráulica en energía mecánica en términos de
torque m y desplazamiento angular.
*ME HIDRAULICA
Figura 2. Motor hidráulico.
3. CILINDROS HIDRÁULICOS
Los cilindros hidráulicos son motores lineales. Con ellos se producen movimientos
lineales en máquinas e instalaciones donde se puede alcanzar grandes fuerzas y
desplazamiento longitudinales. La velocidad del émbolo del cilindro puede ser
controlada variando la cantidad de flujo de alimentación. La fuerza máxima que
debe alcanzar un cilindro puede ser elegida o fijada a través de una válvula de
presión.
Las formas constructivas exteriores de los cilindros dependen del uso que se les
quiere dar, para poder seleccionar o diseñar un cilindro los diseñadores necesitan
una serie de datos.
Sin embargo se debe en lo posible recurrir a medidas normalizadas tanto para
poder encontrar los elementos constructivos como para asegurar su reemplazo.
Los cilindros estandarizados respetan determinadas medidas constructivas y de
conexión.
Los diámetros de cilindros normalizados son:
EHIDRAULICA E
MECANICA
ME HIDRAULICOMOTORENTREGA
Q2
p2
p3
Torque = M
Desplazamiento angular =
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Estas medidas se refieren al diámetro interior del cilindro.
En las recomendaciones también se fijan el diámetro del vástago y otras medidas
importantes. Las presiones de diseño que se recomiendan son:
La carrera de los cilindros es relativamente libre de elegir.
4. FUERZAS QUE ACTÚAN SOBRE UN CILINDRO
Las fuerzas que actúan sobre un cilindro hidráulico pueden ser positivas o
negativas.
4.1. FUERZAS POSITIVAS
Aparecen cuando el actuador transfiere energía a un cuerpo. Por ello este
tipo de fuerzas analizado desde el pistón, ofrece resistencia al movimiento
del pistón.
4.2. FUERZAS NEGATIVAS
Son aquellas que aparecen cuando externamente se transfiere energía al
pistón. Por ello el pistón no puede controlar a éste tipo de fuerza.
5. CLASIFICACIÓN DE LOS CILINDROS
Los cilindros hidráulicos se clasifican:
Por su forma constructiva.
Por su forma de fijación.
25, 32, 40, 50, 63, 80, 100, 125, 160, 200 mm
40, 50, 63, 125, 160, 250, 400 bar
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Figura 4. Clasificación de los cilindros
CILINDROS HIDRAULICOS
FORMAS CONSTRUCTIVAS
FIJACION
SIMPLE EFECTO DOBLE EFECTO CILINDROS TELESCOPICOS
RETORNO POR FUERZA
EXTERNA
RETORNO POR MUELLE
CON UN SOLO VASTAGO
CON AMORTIGUAMIENTO EN
AMBOS EXTREMOS
CON CINTADO MAGNETICO
CON VASTAGOS EN AMBOS
EXTREMOS
CILINDRO OSCILANTE O MOTOR
OSCILANTE
FORMAS
CONSTRUCTIVAS
SIMPLE EFECTO
DOBLE EFECTO
PATITAS
BRIDA
CON ARTICULACION
APOYOS GIRATORIOS
EN TANDEM DUPLEX
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5.1. CLASIFICACIÓN POR SU FORMA CONSTRUCTIVA
Cilindros de simple efecto.
Cilindros de doble efecto.
Cilindros telescópicos
5.2. CLASIFICACIÓN POR SU FORMA DE FIJACIÓN
Cilindros de montaje fijo con patas tangenciales.
Cilindros embridados.
Cilindros articulados en la base.
Cilindros articulados en la cabeza.
6. CILINDROS DE SIMPLE EFECTO
Los cilindros hidráulicos de simple efecto son actuadores que pueden aplicar
fuerza en un solo sentido, para ello tienen una sola vía de ingreso o salida de
fluido. Al accionarse el pistón en un solo sentido, la fuerza de retorno del pistón
en sentido contrario se logra a través de:
Una fuerza externa.
El propio peso del pistón.
Un muelle o resorte.
La cámara que no está sometida a presión debe estar en contacto con la presión
atmosférica por ejemplo a través de un pequeño orificio donde entre y salga el
aire cuando el pistón entra en movimiento.
7. CILINDROS DE DOBLE EFECTO
Un cilindro hidráulico de doble efecto consiste en un cuerpo cilíndrico y un
émbolo móvil al cual se ha fijado un vástago. Las tapas o culatas se fijan al
cilindro por medio de uniones roscadas, bridas, tirantes o uniones soldadas.
El desplazamiento del émbolo hacia adentro y hacia fuera es guiado y sostenido
por un casquillo removible llamado prensaestopas del vástago o cojinete del
vástago. La tapa del cilindro a través de la cual sale el vástago se denomina
“cabeza del vástago”. Al extremo opuesto se le denomina simplemente “tapa”.
Los puertos o vías de entrada y salida se localizan en la cabeza y la tapa.
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Figura 5. Partes de un cilindro de doble efecto.
7.1. PARTES DE UN CILINDRO DE DOBLE EFECTO
Cilindro.
Émbolo.
Vástago.
Tapa.
Tapa del vástago o cabeza del vástago.
Sellos de labios o cejas.
Anillos del émbolo.
Sellos en el prensaestopas del vástago.
Vía o puerto.
Retén respador.
8. FORMAS DE ENSAMBLAJE DE CILINDROS HIDRÁULICOS
Existen diferentes formas de ensamblar un cilindro hidráulico en un sistema y
lograra multiplicar las fuerzas. la norma para un correcto montaje es que el
cilindro hidráulico puede aplicar grandes fuerzas axiales pero no debe aplicar ni
soportar fuerzas radiales.
Figura 6. Cargas de un cilindro.
p
NO
SI
PELIGRO: FLEXION
PELIGRO: PANDEO
FUERZA AXIAL
FUERZA RADIAL
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Figura 7. Formas de ensamblaje de los cilindros.
9. SELLOS
Para un buen funcionamiento de un cilindro, debe existir un sello alrededor del
émbolo y en el prensaestopas del vástago.
Existe gran variedad de sellos para el prensaestopas del vástago. Algunos
cilindros están equipados con un sello principal en forma de v o acopado,
fabricado de cuero, poliuretano, nitrilo o vitón, y un sello limpiador que evita la
introducción de materiales extraños en el interior del cilindro.
Es de suma importancia comprobar que el material con el cual se ha fabricado el
sello sea compatible con el fluido y las condiciones de funcionamiento del
sistema.
Ejemplo:
Un tipo de sello para el prensaestopas del vástago consiste en un sello principal
con bordes interiores dentados, que rozan continuamente el vástago y lo limpian
removiendo el fluido. Un segundo sello frota el vástago para eliminar los restos
que pudiese haber dejado el sello principal y elimina las partículas extrañas
cuando retrocede el vástago al interior del cilindro.
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Figura 8. Sellos
10. SISTEMAS DE AMORTIGUACIÓN
Los sistemas de amortiguamiento se emplean para proteger el cilindro de los
efectos de los golpes del embolo sobre las tapas de los cilindros en los pistones.
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Figura 9. Cilindros sin amortiguación.
En la figura mostrada:
Al cambiar de la posición o a la posición a de la válvula distribuidora el vástago
del cilindro bajará por efecto de la acción de la gravedad y no por efecto de la
presión del sistema, perdiendo el control del pistón (acción de fuerza negativa).
Al chocar el pistón sobre la tapa del cilindro puede provocar daños como fisuras
o deformaciones, por ello es necesario mantener controlada a esta fuerza.
Las formas de controlar estos efectos son:
Colocar válvulas de estrangulamiento.
Colocar válvulas de contrapresión.
Utilizar cilindros con sistemas de amortiguamiento.
En todos los casos el objetivo es crear un colchón de presión para el
amortiguamiento de la carga.
Este colchón de presión puede estar presente siempre como en el caso de la
ubicación de una válvula de estrangulamiento o una válvula de contrapresión o
puede aparecer solo en el tramo final del recorrido del embolo en el cilindro
a o b
P T
m
A B
M 2
M 1
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como en el caso de un sistema de amortiguamiento ensamblado en el propio
cilindro hidráulico.
Los sistemas hidráulicos con válvulas de estrangulamiento o válvulas de
contrapresión generan siempre una caída de presión que provoca pérdida de
energía y que reducen innecesariamente la velocidad a lo largo del recorrido del
pistón. En realidad en buen accionamiento tiene alta velocidad en su recorrido,
pero baja velocidad en los tramos finales antes de llegar al final de su recorrido y
tocar las tapas.
a o b
P T
m
A B
M1
Sistema de frenado con válvula de
estrangulamiento
a o b
P T
m
A B
M1
25 BAR
100 BAR
VALVULA DE
CONTRAPRESION
Sistema de frenado con válvula de contrapresión
Figura 10. Sistema de frenado con válvula de estrangulamiento y Sistema de frenado
con válvula de contrapresión.
10.1. SISTEMAS DE AMORTIGUACIÓN EN EL PROPIO CILINDRO
Los sistemas de amortiguamiento en el propio cilindro utilizan
estrangulamientos en una longitud de la carrera al final del frenado.
Cuando el pistón está llegando al final de la carrera el tramo comprendido
en la cabeza del embolo buzo se aloja exactamente en la ranura. El aceite
atrapado en la cámara comprendida entre la sección anular del embolo y
la tapa es el que disminuye la velocidad del cilindro amortiguando la
fuerza antes de llegar a tocar la tapa del cilindro, este aceite se evacua a
través del estrangulamiento ubicado en el juego del embolo buzo con la
ranura donde ingresa.
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Figura 11. Colchón de aceite para el frenado.
En algunos casos es posible regular estos estrangulamientos.
Por ejemplo en el caso que se muestra en la siguiente figura:
El estrangulamiento 1, es el que define el grado de amortiguación y
puede regularse.
Para el movimiento en sentido contrario del pistón el aceite tendría menor
área en contacto y por lo tanto sería menor la fuerza disponible, por lo
tanto se hace necesario que el aceite pueda entrar en contacto desde el
momento inicial con toda el área del embolo, para eso se inserta la
válvula check que permite que el fluido entre en contacto también con el
área anular del embolo y pueda salir libremente y disponerse de la
máxima fuerza.
Figura 12. Amortiguación en la cámara del embolo.
FLUIDO ESTRANGULADO
COLCHON DE ACEITE
PARA EL FRENADO
ESTRANGULAMIENTO 1
EMBOLO
VASTAGO
VALVULA CHECK
VIA DE INGRESO O
SALIDA AL CILINDRO
CABEZA DE EMBOLO
BUZO
RANURA PARA CABEZA DE
EMBOLO BUZO
SECCION ANULAR
DEL EMBOLO
TAPA
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Figura 13. Tramo final: Frenado.
Figura 14. Libre retorno.
También es posible practicar una muesca en la cabeza del embolo buzo
de tal manera que actúa como un estrangulamiento 2 de tal manera que
el pistón vaya frenándose paulatinamente a medida que llega al final de
su carrera, es un estrangulamiento variable en función de la carrera final
del pistón.
FLUIDO ESTRANGULADO
VALVULA CHECK
BLOQUEADA
VALVULA CHECK ABIERTA
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Figura 15. Frenado
11. MOTORES HIDRÁULICOS
Los motores hidráulicos transforman la energía hidráulica en energía mecánica y
generan movimientos rotativos. Si el movimiento rotativo se limita a
determinados ángulos, se trata de motores de desplazamiento angular.
Desde el punto de vista energético los motores actúan contrariamente a las
bombas hidráulicas, pero su geometría es muy similar.
Figura 16. Bomba y Motor.
Bomba Motor
FLUIDO ESTRANGULADO
VALVULA CHECK
BLOQUEADA
COLCHON DE
ACEITE
TRAMO DE
FRENADO
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12. REPRESENTACIÓN
Los motores hidráulicos pueden ser:
De giro en un solo sentido.
De giro en ambos sentidos.
Motor hidráulico de giro en un solo sentido
Motor hidráulico de giro en ambos sentidos
Figura 17. Motor hidráulico de giro en un solo sentido y Motor hidráulico en ambos
sentidos.
13. PARÁMETROS
Los motores hidráulicos tienen los mismos parámetros característicos que las
bombas, aunque en el caso de los motores hidráulicos no se aplica el término de
volumen desplazado, utilizándose más bien el de volumen absorbido (v.a.)
La velocidad n (rpm) de giro de un motor hidráulico esta dado por el caudal q
entre el volumen absorbido va:
VA
Qn
El producto del volumen absorbido va multiplicado por la diferencia de presión
en el motor hidráulico define el momento o torque m:
*2
* pVAM
La potencia mecánica PMOTOR entregada por un motor hidráulico esta dada por el
producto del momento o torque m por la velocidad angular .
P MMOTOR *
Donde la velocidad angular :
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191
2 * *n
La potencia hidráulica PHIDRAULICA recibida por el motor hidráulico esta dada por:
P
p QHIDRAULICA
*
600
Los motores hidráulicos tienen básicamente las mismas características
constructivas que las bombas hidráulicas, de aquí que tengan una eficiencia
MOTOR aproximada entre 80 a 90%.
MOTOR
MOTOR
HIDRAULICA
P
P
Ejemplo
Un motor hidráulico de 50 cm3 recibe 60 l/min de caudal y los manómetros de
entrada y salida del motor indican 280 bar y 20 bar respectivamente, si la
eficiencia del motor es de 85% determinar:
1. El número de revoluciones por minuto n (rpm).
2. El torque m (n-m).
3. La potencia (hp) del motor hidráulico.
Solución
n
Q
V A
. .
n
cmRPM
60 10001200
3 l / min
50 cm l3 ( )
M
V A p
. .*
*
2
Mcm bar
kgf
cm
bar
m
cm
N
kgfN m
50 280 20
2
1 02
100
9 8
1206 8
3 2( )
*
( , ) ,,
p bar
Q P/min
PHIDRÁULICA kW
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192
El motor entregaría este torque, si tuviese una eficiencia del 100%, pero como
tiene una eficiencia del 85%:
M N m N m 85% 206 8 1758* , ,
P
p QHIDRAULICA
*
600
P
bar l minkW
HP
kWHPHIDRAULICA
( ) * /
,,
280 20 60
60026
0 74634 85
MOTOR
MOTOR
HIDRAULICA
P
P
p PMOTOR MOTOR HIDRAULICA *
P HP HPMOTOR 0 85 34 85 29 62, * , ,
14. TIPOS
Constructivamente los motores no presentan mayores diferencias con las
bombas, por lo tanto existen la misma diversidad y clasificación de motores
hidráulicos como las mencionadas para bombas hidráulicas.
Aquí se desarrollara el principio de funcionamiento de los motores hidráulicos de
mayor uso como son los motores de pistones axiales.
15. MOTOR DE PISTONES AXIALES DE PLATO INCLINADO
El motor de pistones axiales tiene un conjunto de pistones que se desplazan con
un tambor giratorio sobre un plato inclinado.
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193
Figura 18. Motor de pistón axial en sección (representación esquemática).
15.1. PARTES DE UN MOTOR DE PISTONES AXIALES
Figura 19. Partes de um motor de pistones axiales.
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194
1. Carcasa.
2. Pistón.
3. Plato inclinado.
4. Rótula.
5. Placa contiene lumbreras de entrada y salida.
6. Seguro de rótulas.
15.2. FUNCIONAMIENTO
El funcionamiento de un motor de pistones axiales se explica de la
siguiente manera:
En el diagrama de cuerpo libre del pistón la fuerza f se descompone en
dos fuerzas:
Fuerza tangencial en un plano horizontal Ft.
Fuerza normal, perpendicular al plano inclinado Fn.
La fuerza ft actúa a una distancia r del eje central y provoca con ello un
par motor m = ft * r
Al descender el pistón, el tambor le conduce forzosamente sobre el plano
inclinado en una órbita circular. Por ello, el tambor recibe un movimiento
rotativo.
Figura 20. Esquema de las cargas en un motor hidráulico.
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195
Puede recogerse el par motor en el árbol de salida, que esta solidario con
el tambor, para obtener en el árbol de salida un par motor lo más alto
posible y un movimiento rotativo permanente, se disponen varios pistones
axiales en el interior del tambor.
La presión es la que impulsa a los pistones a través del plano inclinado.
una vez que se encuentra en el punto inferior, la acción rotacional de los
otros pistones impulsa a los pistones que se encuentran en el punto
inferior a subir a través del plano inclinado, esto se realiza fácilmente
debido a que esta zona se encuentra descargada o a baja presión. Por lo
tanto en un motor hidráulico debemos distinguir una zona de ingreso del
fluido a presión y una zona de salida de fluido a la descarga o tanque.
Es fácil cambiar la dirección de un motor hidráulico al cambiar estas zonas
de ingreso y salida.
El número de pistones axiales en el tambor es variable. Cuanto mayor es
el número de pistones axiales existentes, tanto mas uniformemente
queda el giro del motor hidráulico.
Por pérdidas de fluido en los pistones axiales, entre el tambor y el plato
inclinado, entra permanentemente líquido a presión en la cámara de la
carcasa del motor. Este fluido debe evacuarse por un conducto de fuga
de tal manera que no se forme colchones de presión que puedan
dificultar el libre accionamiento del motor. Por ello encontraremos
siempre la carcasa de pistones llena de aceite que descarga a través de
una línea de drenaje a tanque, cabe mencionar que esta descarga aún
siendo mínima (en algunas oportunidades es solo un goteo) es muy
importante.
Para obtener una separación de los lados de entrada y de salida, un disco
distribuidor se hace indispensable.
Al lado de este disco distribuidor, de montaje fijo, se desliza el tambor en
rotación con los orificios de los cilindros. Para obtener el par motor
necesario, deben combinarse varios pistones axiales. Esto se logra gracias
a una zona de presión uniforme en el disco del distribuidor.
Por medio de los orificios uniformes del disco distribuidor se logra por
ejemplo que cuatro de los nueve pistones estén con fluido a presión, los
Sistemas Hidráulicos TECSUP – PFR
196
otros cuatro se comunican con tanque, mientras que un pistón axial está
en el punto muerto.
Por tanto, hay en cada momento un par motor suficiente para garantizar
incluso bajo carga un giro permanente del árbol secundario.
16. ACUMULADORES HIDRÁULICOS
Lo mismo que una bomba hidráulica, un acumulador puede hacer el papel de un
generador de energía. Entonces va asociado a una bomba volumétrica. Pero no
es ésta su única posibilidad.
En efecto, este componente permite también:
Reducir la potencia instalada.
Eliminar o reducir considerablemente los efectos de los golpes de ariete.
Amortiguar los choques.
Absorber las pulsaciones.
Compensar las fugas de un circuito.
Actuar como fuente auxiliar de emergencia.
Asegurar el engrase a presión.
Compensar los efectos de las dilataciones térmicas, etc.
La figura 21 muestra la representación simbólica de los acumuladores. El
acumulador, como aparato de seguridad, tiene un lugar en todas las
instalaciones hidráulicas modernas.
Teniendo en cuenta la escasa compresibilidad de los líquidos, la concepción de
absorción de los acumuladores se basa frecuentemente y casi siempre en la
elasticidad artificial, provocada por resortes o por gas.
Figura 21. Hidroneumáticos
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197
17. DIFERENTES TIPOS DE ACUMULADORES
Existen diferentes tipos de acumuladores; sin embargo, es importante fijar una
diferencia fundamental en su principio de recuperación.
Algunos acumuladores se denominan de «presión constante», mientras que otros
son de «presión variable».
17.1. ACUMULADORES DE PRESIÓN CONSTANTE
A esta denominación responden los acumuladores de pesa.
17.1.1. ACUMULADOR DE PESA
Este tipo de acumulador es el más antiguo. Está constituido por
un cilindro, cuyo vástago o pistón buzo lleva uno o varios
contrapesos (Fig. 22).
Se comprende que la acción de este acumulador va unida a la
superficie receptora del pistón, a la posibilidad de carrera del
vástago y al valor del o de los contrapesos. Su reacción se
forma por el efecto de la gravedad.
Este acumulador es voluminoso y corre el riesgo de crear
sobrepresiones peligrosas, cuando la velocidad alternativa es
elevada.
Es interesante en "los casos de velocidades muy pequeñas de
desplazamiento (chimenea de equilibrado de los embalses).
Entonces sus elementos están construidos de hormigón.
Sistemas Hidráulicos TECSUP – PFR
198
Figura 22. Acumulador de pesa.
17.2. ACUMULADORES DE PRESIÓN VARIABLE
En la categoría de los acumuladores de presión variable se encuentran:
Los acumuladores de resorte, así como la multitud de aparatos de gas
disponibles en el mercado, ya sean de pistón flotante, de membrana,
de cámara elástica o incluso de contacto directo, es decir sin separador
entre el aceite y el nitrógeno. El contacto directo tiene como
consecuencia el provocar la absorción del gas por el líquido, lo que
obliga a recargar frecuentemente con nitrógeno. .Por dicho motivo,
esta solución ya no tiene apenas actualidad.
Observemos que el gas utilizado para cargar los acumuladores es el
nitrógeno, ya que su constitución química:
Elimina todo riesgo de combustión y de explosión.
No tiene ningún efecto sobre el neopreno, que forma generalmente las
membranas, las cámaras elásticas y las juntas de estanqueidad.
El gas inerte que es el nitrógeno ha reemplazado al aire, empleado
durante mucho tiempo, pero que fue abandonado después de graves
accidentes provocados por las explosiones. En efecto, el aire a presión da
TECSUP – PFR Sistemas Hidráulicos
199
origen a peróxidos inestables, susceptibles de descomponerse bajo el
efecto de los choques o de las elevaciones localizadas de temperatura.
Figura 23. Acumulador de resorte clásico.
Figura 24. Acumulador de resortes regulables.
Sistemas Hidráulicos TECSUP – PFR
200
17.2.1. ACUMULADOR DE RESORTE
Este acumulador está constituido por un cilindro en el que
puede moverse un pistón, sometido a la acción de uno o de
varios resortes antagónicos (Fig. 23).
Las características de un acumulador de este tipo pueden
modificarse, jugando con el número de resortes, su longitud, la
sección del alambre que los constituye, el diámetro del pistón
receptor, etc.
Algunos acumuladores de este tipo pueden ser regulados (entre
ciertos márgenes) mediante tuercas que actúan sobre el
tensado del o de los resortes (Fig. 24).
Estos acumuladores pueden utilizarse en los casos muy
concretos, en los que el volumen de desplazamiento del fluido
es muy pequeño y las presiones relativamente bajas. Se les
encuentra frecuentemente haciendo el oficio de temporizadores
en las cajas de velocidades automáticas o semi-automáticas,
inversión del sentido de marcha, etc.
En las aplicaciones con caudal y presión elevados, estos
acumuladores presentan el inconveniente mayor de ser muy
voluminosos. Además, la inercia debida a la masa del pistón
hace que su empleo no resulte conveniente en los sistemas en
los que la respuesta debe ser rápida.
17.2.2. ACUMULADORES DE GAS
Estos acumuladores se denominan hidroneumáticos. Entre los
más corrientes encontramos:
Los acumuladores de pistón flotante.
Los acumuladores de membrana.
Los acumuladores de cámara elástica o de bolas.
17.2.3. ACUMULADOR DE PISTÓN FLOTANTE O LIBRE
Este acumulador se presenta bajo la forma de un cilindro
desprovisto de vástago. En otras palabras, el pistón es flotante
o libre, en el interior de un cuerpo de cilindro torneado en
TECSUP – PFR Sistemas Hidráulicos
201
acero, de donde proviene su nombre. El pistón separa aquí al
gas del líquido (Fig. 25).
Este acumulador parece presentar una cierta lentitud de
reacción, por causa de la inercia debida a la masa del pistón y
al rozamiento de las juntas. Pueden utilizarse hasta presiones
cercanas a 200 bar.
En todo caso no es necesario exagerar en cuanto a la inercia
del pistón y al rozamiento provocado por las juntas. A este
respecto, las pruebas realizadas por Etna, uno de los
fabricantes más conocidos en este tipo de aparatos, dan por
resultado:
Un acumulador de 2,4 litros, cuyo pistón tiene una masa de
0,92 kg y una sección de 30 cm2, permite comunicar a este
último una aceleración de 326 m/s2 para una diferencia de
presión de 1 bar.
La energía cinética del aceite es más de 100 veces superior a la
del pistón.
Obsérvese que los pistones son frecuentemente de aleación
ligera y por tanto de un peso mínimo, a fin de que la inercia de
las masas sea lo más pequeña posible.
Después de soltar las juntas, mediante una diferencia de
presión del orden de 1 bar, el rozamiento resulta muy pequeño.
Aunque estos aparatos pueden trabajar en todas las posiciones,
es preferible hacerlos funcionar verticalmente, con la salida
dirigida hacia abajo, a fin de evitar los depósitos de partículas
sobre el pistón, que son una fuente de destrucción de las
juntas.
Mal adaptados a las absorciones de vibraciones, su utilización
es, por el contrario, excelente para las altas presiones y
temperaturas elevadas. La capacidad de estos acumuladores es
pequeña.
Sistemas Hidráulicos TECSUP – PFR
202
Figura 25. Acumulador de pistón.
17.2.4. ACUMULADOR DE MEMBRANA
Este acumulador está constituido generalmente por dos
casquillos semiesféricos, atornillado uno dentro del otro. Entre
estos dos casquillos se coloca la membrana o elemento
separador entre el aceite y el gas. Un tope colocado en la base
de la membrana en elastómero evita la extrusión de ésta en el
orificio de alimentación durante la descarga rápida del aparato
(Fig. 26).
La esfera constituida por estas dos partes presenta la ventaja
de resistir mejor a la presión que un cilindro o que cualquier
otra forma: de volumen con peso igual.
Este acumulador tiene una respuesta muy rápida y su
rendimiento es satisfactorio; en efecto, el elemento separador
sólo presenta muy poca inercia.
TECSUP – PFR Sistemas Hidráulicos
203
Mencionemos que este acumulador puede trabajar en todas las
posiciones con idéntico rendimiento.
Figura 26. Acumulador esférico de membrana. A la izquierda, acumulador
cargado con nitrógeno: no existe acción del aceite.
17.2.5. ACUMULADOR DE BOLSA O DE CÁMARA ELÁSTICA
En su concepción, este tipo de acumulador se basa en una
patente francesa, conseguida por Jean Mercier, Ingeniero de
Arts et Manufactures.
En grandes rasgos, un acumulador de cámara está constituido
por (Fig. 27):
Un cuerpo cilíndrico;
Monobloc, de acero forjado para los aparatos de alta presión
(hasta 550 bar);
En acero soldado para los acumuladores de baja presión
(presión igual o inferior a una veintena de bar).
Sistemas Hidráulicos TECSUP – PFR
204
Figura 27. Acumulador de cara elástica, licencia mercier-greer.
A) Cámara elástica hinchada con nitrógeno; no existe aceite en el cuerpo; B) El
acumulador se carga con aceite (compresión del nitrógeno); C) Fase de descarga del
aceite. 1. Racor de recarga de nitrógeno. 2. Cuerpo del acumulador (acero forjado).
3. Cámara elástica que lleva incorporada la válvula de hinchado.
4. Válvula anti-extrusión de la cámara elástica.
5. Boca de alimentación y de retorno.
El interior del cuerpo está chorreado con granalla y por lo tanto
presenta rugosidades, para evitar la adherencia de la cámara
sobre la superficie interna del cuerpo.
Una cámara elástica de concepción original ligeramente
tronco-cónica, que lleva una válvula de hinchado
incorporada.
Una boca, dotada entre otros de una válvula anti-extrusión
de la cámara para los modelos de alta presión, o bien, de un
filtro de aspiración para los aparatos de baja presión.
Frecuentemente se coloca un bloque de seguridad entre la boca
del aparato y la tubería de alimentación y de retorno.
En este bloque están reagrupados los órganos auxiliares
necesarios para el funcionamiento correcto de una instalación
hidráulica equipada con acumuladores. La constitución de estos
bloques varía según las necesidades (Fig. 28).
TECSUP – PFR Sistemas Hidráulicos
205
En general llevan:
Una llave de vástago esférico (cuarto de vuelta), que
permite aislar al acumulador del circuito de potencia.
Una llave de esfera, que asegura la descompresión del
circuito del «acumulador».
Una válvula de limitación de presión (regulada para la
presión de utilización máxima del acumulador).
Una toma manométrica.
Figura 28. Bloque de descompresión
y de aislamiento.
Algunos bloques de seguridad llevan además estos órganos:
Un electro-distribuidor 2/2 de compuerta (a causa de las
fugas), que permite la descompresión del circuito al ponerse
en tensión un solenoide;
Una válvula anti-retorno.
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Téngase en cuenta que la carga de nitrógeno, o más
exactamente la presión del gas, debe determinarse en función
de una multitud de parámetros.
Con este objeto, muy especialmente en la aplicación como anti-
ariete (la más delicada) se aconseja encarecidamente recurrir a
la experiencia de los especialistas cualificados, que ponen a
disposición de los usuarios las firmas fabricantes o
distribuidoras de acumuladores.
18. ALGUNOS EJEMPLOS DE APLICACIONES DE LOS ACUMULADORES
No se trata de hacer aquí análisis completo de todas las posibilidades de los
acumuladores. En verdad son raras las instalaciones en las que no se demuestra
que es útil la presencia de un tal componente.
1. Acumulación de energía como sistema de seguridad
En algunas instalaciones, la parada ocasional del sistema térmico, o bien un
corte de la corriente de alimentación al motor eléctrico, pueden ser
perjudiciales para la continuidad de la operación en curso, o bien peligrosas
en el plano de la seguridad.
No se trata de acumular aquí una cantidad de energía considerable, sino
únicamente de permitir uno o dos ciclos de los órganos receptores (cilindro o
motor) (Fig. 29).
Las figuras 30 y 31 muestran dos instalaciones de acumulación de energía
que se encuentran frecuentemente en las aplicaciones más diversas.
En la figura 30, acumulación por bomba manual de un acumulador destinado
a la alimentación de un puente elevador, por ejemplo.
En la figura 31, sistema con doble seguridad: alimentación del acumulador
por bomba hidráulica, accionada por motor eléctrico y bomba hidráulica a
mano, en caso de corte del fluido eléctrico.
Aplicación posible: arranque de un motor térmico de gran cilindrada,
realizado al nivel del motor hidráulico.
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Figura 29. Acumulador de energía. El acumulador se utiliza en este caso para acumulación de
energía de emergencia (poca capacidad).
Figura 30. Acumulador de energía, para un puente elevador. Obsérvese el sistema de
estrangulador regulable para el retroceso del cilindro. La acción sobre este estrangulador va
en función de la masa aplicada sobre el cilindro, lo que implica la regularización de la
velocidad del descenso.
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Figura 31. Acumulación de energía. Doble auxilio. Por ejemplo, puesta en funcionamiento de
un motor térmico, por mediación de un motor hidráulico y, naturalmente, de un acumulador.
2. Reducción de la potencia instalada
Los acumuladores, o más exactamente una o varias baterías de
acumuladores, se utilizan con frecuencia para la acumulación de energía, a
fin de obtener potencias considerables de restitución durante pocos
segundos.
Con este objeto, una bomba de poca capacidad, que por 10 tanto necesita
una potencia de mantenimiento muy pequeña, puede emplearse durante un
tiempo determinado para cebar una batería de acumuladores. Cuando está
cargada esta batería es posible solicitar la restitución de la energía
almacenada en un plazo muy corto: de aquí se deriva la multiplicación de la
potencia.
Existen instalaciones (Fig. 32) de este tipo que pueden alcanzar potencias de
restitución del orden de 9000 CV (6600 kW).
Cuando se necesitan semejantes potencias, incluso instantáneas, se concibe
fácilmente la economía resultante con una instalación de este tipo.
Supongamos que esta potencia indispensable sea proporcionada por un
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motor térmico; ¡imaginemos por un instante sus dimensiones geométricas,
su masa y su coste!
Figura 32. Reducción de la potencia instalada. Con una bomba de poca
capacidad es posible obtener por acumulación potencias instantáneas
considerables.
3. Reducción del tiempo de trabajo
Cuando es poco el esfuerzo al nivel de un cilindro, por ejemplo en una
carrera de aproximación, interesa aumentar la rapidez del ciclo y acelerar la
carrera en vacío. El dibujo de la figura 33 demuestra que un acumulador
puede intervenir en la realización de un ciclo de vaciado acelerado.
4. Absorción de las pulsaciones de la bomba hidráulica
No es cuestión de exagerar el efecto de las pulsaciones en las instalaciones
corrientes. Sin embargo, existe la posibilidad de que algunos tipos de
bombas emitan pulsaciones desagradables, en función de ciertas
aplicaciones atribuidas al receptor (motor o cilindro).
El montaje representado en la figura 34 absorbe las irregularidades de
caudal de una bomba (movimiento pulsatorio).
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5. Absorción de los golpes de ariete
Un acumulador no suprime los golpes de ariete, sino que sencillamente
impide sus efectos nocivos, absorbiendo sus ondas de choque (Fig. 35). Si
no se eliminan estas ondas, producen una cascada de fenómenos, que con
frecuencia son perfectamente audibles.
Figura 33. Reducción del tiempo. Aquí el caudal del acumulador se suma al
de las dos bombas (1) y (2). La descarga.
Cuando se detiene bruscamente la masa de un líquido en movimiento, la
energía cinética del fluido se transforma en un primer tiempo en un aumento
de la presión, luego aparece una onda de depresión, seguida de una onda
de presión y así sucesivamente. Estos diferentes tiempos se basan en
fenómenos oscilatorios. A título indicativo diremos que la velocidad de
propagación de una onda es sensiblemente igual a la del sonido en un
líquido, es decir del orden de 900 m/s.
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Figura 34. Montaje como anti-pulsación. En esta aplicación, el acumulador
debe colocarse muy exactamente en la prolongación de la bomba (sin ningún
codo).
Figura 35. Absorción de los golpes de ariete. Estos dibujos ilustran los fenómenos que
se producen durante el cierre brutal de una válvula. Arriba, estos fenómenos
repercuten sobre la canalización, de donde se deriva una fatiga excesiva. Abajo, son
absorbidos por el acumulador.
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Los fenómenos oscilatorios de muy corta duración, que no pueden ser
detectados siempre por un manómetro, debido a la inercia de las piezas
mecánicas que lo constituyen, son la causa de las roturas de las tuberías.
Tales incidentes «frecuentes», atribuidos con excesiva facilidad a la «fatiga»,
pueden ser evitados empleando uno o varios acumuladores bien situados.
19. PRECAUCIONES PARTICULARES RELATIVAS A LOS ACUMULADORES
Al recibir el aparato, es decir, antes de su colocación, comprobar que el
acumulador no ha sufrido daños durante el transporte.
Verificar si el aparato suministrado está de acuerdo con el pedido.
No realizar ningún mecanizado sobre un acumulador: no se olvide nunca que
un acumulador constituye una verdadera bomba.
Atención al almacenamiento de las cámaras elásticas (almacenamiento
frecuentemente inútil, teniendo en cuenta su larga duración de vida).
Sin embargo, si es preciso poseer una reserva de estas piezas, será necesario:
Conservarlas en sitio fresco.
Colocarlas al abrigo de la luz.
Suspenderlas por la válvula de hinchado, después de haberlas cargado
«excepcionalmente» con aire (sin presión).
En principio, la salida de un acumulador debe estar frenada (estrangulador),
con objeto de evitar una aceleración demasiado brusca de la velocidad de
paso del fluido, cuando se produzca una disminución sensible de la resistencia
al nivel del o de los receptores (motores o cilindros).
Cuando el circuito comprenda, entre otros, uno o varios acumuladores y una o
varias servo-válvulas, es indispensable colocar un filtro «de presión» en la
salida del acumulador.
En la práctica, y muy especialmente para los acumuladores de cámara
elástica, los cuerpos de estos aparatos no están mecanizados (recordemos
que para evitar la adherencia de la cámara sobre la periferia interna del
cuerpo).
Antes de realizar cualquier intervención sobre el acumulador proceder a su
descarga total de aceite (una de las finalidades del bloque de seguridad).
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Muy importante
Para los aparatos en funcionamiento es recargar el elemento separador
únicamente con nitrógeno (no se utilice jamás el aire y sobre todo el oxígeno), el
acumulador de membrana es el único que está en condiciones de trabajar en
todas las posiciones; el acumulador de cámara, igual que los otros acumuladores
hidroneumáticos, debe tener su salida dirigida hacia abajo. Su posición extrema
sería la horizontal.