12. actuadores y acumuladores hidráulicos

TECSUP – PFR Sistemas Hidráulicos

177

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

Sistemas Hidráulicos TECSUP – PFR

178

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 =


179

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


180

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


181

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.


182

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


183

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.


184

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.


185

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


186

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.


187

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


188

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


189

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


190

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 :


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


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.


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.


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.


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


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


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.


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


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.


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


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.


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.


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).


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).


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.


206

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.


207

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.


208

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


209

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).


210

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.


211

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.


212

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).


213

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.

12. actuadores y acumuladores hidráulicos

Documents